JP5887854B2 - 異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の異常検出装置に関するものである。

半導体素子とその温度を検出するためのダイオードを内蔵した半導体モジュールを複数個用いて構成される電気回路において、複数個の前記温度検出用ダイオードを直列に接続して１個の定電流回路から一定電流を供給するとともに、基準電圧を発生する基準電圧源と、前記温度検出用ダイオードの両端の電圧を前記基準電圧と比較する比較回路とを直列に接続した回路を、前記各温度検出用ダイオードと並列に接続する半導体モジュールの温度検出装置が知られている（特許文献１）。

特開２００２−１０７２３２号公報

しかしながら、上記の半導体モジュールの温度検出装置では、複数個の温度検出用ダイオードの数と同数の比較回路を設ける必要があり、比較回路の必要数が多くなるという問題があった。

本発明は、比較手段の数を抑制することができる異常検出装置を提供する。

本発明は、複数の半導体素子のうち一の半導体素子の温度を検出する温度検出手段の検出温度と半導体素子の上限温度を示す第１の閾値温度とを比較する第１の比較手段と、複数の半導体素子のうち他の半導体素子の温度を検出する温度検出手段の検出温度から他の半導体素子の平均温度を算出する温度算出手段と、当該平均温度と所定の第２の閾値温度とを比較する第２の比較手段とを有し、第１の比較手段の比較結果及び第２の比較手段の比較結果に基づいて、複数の半導体素子の異常を検出することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、複数の半導体素子の平均温度を比較手段における比較対象とすることで、複数の半導体素子に対応する複数の検出温度を、それぞれ異なる比較手段に入力する必要がないため、比較手段の数を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る異常検出装置を含む電力変換装置のブロック図である。 図１の異常検出装置のブロック図である。 図２のダイオードの温度に対する電圧特性を示すグラフである。 （ａ）図１のスイッチング素子及び冷却器の平面図である。（ｂ）図１のスイッチング素子及び冷却器の側面図である。 図２の異常検出装置の回路図である。 図１スイッチング素子の時間に対する温度特性を示すグラフである。 図２の異常検出装置の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る異常検出装置のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る異常検出装置を含む電力変換装置を示すブロック図である。詳細な図示は省略するが、電力変換装置は、例えば、電気自動車又はハイブリッド車両に搭載され、負荷４に含まれるモータを駆動させる駆動装置として用いられる。なお、本例の電力変換装置は、車両用に限らず、他の装置に搭載されてもよい。以下、本例の電力変換装置を電気自動車に搭載した場合の例について説明する。

本例の電力変換装置は、負荷４の電源源となるバッテリ１と、リレー２と、当該バッテリ１の直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、負荷４と、コントローラ１０とを備える。

バッテリ１は、リレー２を介してインバータ３に接続されている。バッテリ１には、例えばリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。リレー２は、車両のキースイッチ（図示しない）のＯＮ／ＯＦＦ操作に連動して、開閉駆動する。キースイッチ（図示しない）がオンの時に、リレー２が閉じられ、キースイッチ（図示しない）がオフの時に、リレー２が開かれる。

インバータ３は、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に並列に接続され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の電流方向とは逆方向に電流が流れる整流素子（ダイオード）Ｄ１〜Ｄ６を有し、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換して、負荷４に供給する。本例では、２つのスイッチング素子を直列に接続した３対の回路がバッテリ１に並列に接続され、各対のスイッチング素子間とモータ４の三相入力部とがそれぞれ電気的に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、同一のスイッチング素子が用いられ、例えば、絶縁ゲートパイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。

図１に示す例でいえば、スイッチング素子Ｑ１とＱ２、スイッチング素子Ｑ３とＱ４、スイッチング素子Ｑ５とＱ６がそれぞれ直列に接続され、スイッチング素子Ｑ１とＱ２の間と、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の間と、スイッチング素子Ｑ５とＱ６の間とが負荷４にそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５は、バッテリ１の正極側に電気的に接続されており、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６は、バッテリ１の負極側に電気的に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン及びオフの切り換えは、コントローラ１０又は保護部２０により制御される。なお、図１では図示を省略しているが、インバータ３には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のそれぞれの温度を検出するための検出素子として、ダイオード３１〜３６が各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と対応づけて設けられている。ダイオード３１〜３６に係る具体的な構成は後述する。

インバータ３は、コンデンサ５、抵抗６、電圧センサ７、駆動部８及び保護部２０を備え、コンデンサ５、抵抗６及び電圧センサ７は、リレー２と各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６との間に接続されている。コンデンサ５は、バッテリ１から供給される直流電力を平滑化するために設けられる。電圧センサ７は、コンデンサ５の電圧を検出するセンサである。駆動部８は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対してゲート信号を送信し、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン及びオフを駆動させる。駆動部８は、電圧センサ７からの信号を入力とし、当該信号をコントローラ１０により認識できる波形レベルに変換し、コンデンサ５の電圧を示す信号として、コントローラ１０に送信する。保護部２０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を検出し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に異常が発生した場合に、駆動部８を介して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作を停止させる。なお、保護部２０の具体的な構成及び制御は後述する。

コントローラ１０は、インバータ３を制御し、負荷４へ供給される電力を制御する。コントローラ１０は、外部から送信されるトルク指令値（Ｔ^＊）を示す信号、図示しない回転子位置センサからの信号、図示しない電流センサから送信される相電流の検出信号、及び、電圧センサ７からの信号を読み込み、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、当該信号を駆動部８に送信する。そして、駆動部８は、当該パルス幅変調信号に基づき、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を所定のタイミングでオン及びオフさせる。

次に、図２を用いて、本例の異常検出装置を説明する。図２は、本例の異常検出装置のブロック図である。なお、図２では、バッテリ１の正極側（Ｐ側）に接続されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５の接続部分について図示されているが、バッテリ１の負極側（Ｎ側）に接続されるスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６についても、下記と同様に、ダイオード３２、３４、３６がスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６とそれぞれ対応づけて設けられ、ダイオード３２、３４、３６が保護部２０に接続されている。

本例の異常検出装置は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオード３１〜３６、保護部２０、駆動部８、論理回路４１及びパルス発生器４２を備えている。ダイオード３１はスイッチング素子Ｑ１の近傍であって、スイッチング素子Ｑ１の温度変化による熱干渉を受ける範囲内に設けられている。ダイオード３３、３５も同様に、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ５の近傍にそれぞれ設けられている。これにより、ダイオード３１、３３、３５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５にそれぞれ対応づけて設けられる。

ダイオード３１、３３、３５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度をそれぞれ検出する検出素子であり、図３に示すような特性をもっている。図３は、ダイオード３１〜３６の素子温度に対する順方向電圧の特性を示すグラフである。ダイオード３１〜３６に定電流を流している状態で、ダイオード３１〜３６の温度が高くなるほどダイオード３１〜３６の順方向電圧が低くなるため、ダイオード３１〜３６に接続される保護部２０は、順方向の降下電圧を測定することで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の過温による異常を検出する。

ダイオード３１、スイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１は、スイッチングモジュール３０１としてモジュール化されており、同様に、ダイオード３３、スイッチング素子Ｑ３及びダイオードＤ３はスイッチングモジュール３０３として、ダイオード３５、スイッチング素子Ｑ５及びダイオードＤ５はスイッチングモジュール３０５としてモジュール化されている。なお、図示はしていないが、スイッチングモジュール３０１、３０３、３０５において、バッテリ１からの電流に対して、モジュールにおける損失を抑制し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度上昇を抑制するために、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５は、複数のトランジスタを並列に接続する構成であってもよい。

保護部２０は、ダイオード３１、３３、３５の降下電圧からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の異常を検出するための回路であって、ダイオード３１、３３、３５に接続されている。保護部２０は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度が過度に上昇した場合には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５に異常が生じた判定し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の異常を示す異常信号を論理回路４１に出力する。

論理回路４１は、ＡＮＤ回路で構成され、保護部２０と駆動部８との間に接続されている。パルス発生器４２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の異常を所定の周期でサンプリングするための、パルス信号を論理回路４１に出力する。そして、論理回路４１は、保護部２０からの信号出力及びパルス発生器４２の出力パルスを入力とし、論理演算を行い、演算結果を駆動部８に出力する。そして、駆動部８は、論理回路４１の出力信号がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を示す信号である場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を停止する。

次に、図４を用いて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度特性について説明する。図４は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のレイアウトを示す図であり、（ａ）はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５及び冷却器９の平面図を、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５及び冷却器９の側面図を示す。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５は図示しない基板上に設けられ、当該基板を介して冷却器９の表面に互いに並んだ状態で設けられている。スイッチング素子Ｑ３は、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ５に挟まれるよう配置されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度は、スイッチングＱ１、Ｑ３、Ｑ５の配置により影響する。ここで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度をＴＪ１、ＴＪ３、ＴＪ５とし、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の熱抵抗をＲｔｈ１、Ｒｔｈ３、Ｒｔｈ５とし、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各損失をＰ１、Ｐ３、Ｐ５とし、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ３との間の熱干渉係数をｋ、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ５との間の熱干渉係数をｋ’とする。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度をＴＪ１、ＴＪ３、ＴＪ５は以下の式（１）で表される。

並列状態に配置されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５には、素子間での損失の偏りを抑制するために、同等の特性のスイッチング素子が用いられるため、スイッチング動作状態における各スイッチング素子の損失Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５の間には以下の式（２）の関係が成立する。

そして、これらの損失（Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５）を損失（Ｐ）として置き換えると、式（１）は、以下の式（３）で表される。

また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の下に設けられている冷却器９の冷却構造を同じにすると、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の熱抵抗Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ３、Ｒｔｈ５はほぼ等しくなり、熱抵抗Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ３、Ｒｔｈ５の間には、以下の式（４）の関係が成立する。

そして、これらの熱抵抗（Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ３、Ｒｔｈ５）を損失（Ｒｔｈ）として置き換えると、式（３）は、以下の式（５）で表される。

スイッチング素子Ｑ１の温度は主にスイッチング素子Ｑ３からの熱干渉を、スイッチング素子Ｑ５の温度は主にスイッチング素子Ｑ３からの熱干渉を主に受けるが、スイッチング素子Ｑ３の温度は、スイッチング素子Ｑ１からの熱干渉及びスイッチング素子Ｑ５からの熱干渉を受ける。そのため、式（５）でも表されるように、スイッチング素子Ｑ３の単位時間あたりの温度上昇率は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の単位時間あたりの温度上昇率と比べて高くなる。そして、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のレイアウトは設計段階で予め決まるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の中から、温度上昇率が最も高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を予め特定することができる。

図５を用いて、本例の異常検出装置の具体的な回路構成を説明する。図５は、本例の異常検出装置の回路図である。異常検出装置は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検出する検出部３０と、保護部２０とを有している。検出部３０は、温度検出用のダイオード３１、３３、３５と、定電流を出力する電流源３７、３８とを有している。ダイオード３１、３３、３５のうち、ダイオード３３は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の中で最も温度上昇率の高いスイッチング素子Ｑ３に設けられ、他のダイオード３１及びダイオ−ド３５に接続されていない。一方、ダイオード３１、３５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５にそれぞれ設けられ、直列に接続され、ダイオード３３には接続されていない。ダイオード３３のアノード側には電流源３７が接続され、ダイオード３３のカソード側はアース接地されている。ダイオード３１のアノード側には電流源３８が接続され、ダイオード３１のカソード側とダイオード３５のアノード側とが接続され、ダイオード３５のカソード側はアース接地されている。電流源３７から出力される電流はダイオード３３に一定の電流を流し、電流源３８はダイオード３１及びダイオード３５に一定の電流を流す。ダイオード３３には単独の電流源３７が設けられる。

保護部２０は、算出部２１と、比較器２２、２３と、論理回路２９とを有している。算出部２１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が異常温度になったことを判断するための閾値温度を閾値電圧（Ｖ３、Ｖ４）として算出し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を平均電圧（Ｖ５）として算出する。算出部２１は、抵抗Ｒ１〜Ｒ６及び基準電源（Ｖ１）を有している。

抵抗Ｒ１、Ｒ２は直列接続され、抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路の一端には基準電源（Ｖ１）が接続され、当該直列回路の他端はアース設定されている。また抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点と比較器２２の非反転入力が接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４は直列接続され、抵抗Ｒ３、Ｒ４の直列回路の一端には、比較器２２の反転入力及びダイオード３３のアノード側が接続され、当該直列回路の他端はアース設定されている。また抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点と比較器２３の非反転入力が接続されている。抵抗Ｒ５、Ｒ６は直列接続され、抵抗Ｒ５、Ｒ６の直列回路の一端には、ダイオード３１のアノード側が接続され、当該直列回路の他端はアース設定されている。抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６の接続点と比較器２３の反転入力が接続されている。

比較器２２、２３の入力側は算出部２１に接続され、出力側はＮＯＲ回路である論理回路２９及び論理回路４１を介して駆動部８に接続されている。比較器２２は最も温度上昇率の高いスイッチング素子Ｑ３の異常を検出するための比較器である。比較器２３はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を用いて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出するための比較器である。論理回路２９は、比較器２２から出力されるスイッチング素子Ｑ３の異常を示す信号、及び、比較器２３から出力されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を示す信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の異常を示す信号を論理回路４１に出力する。

次に、図５に示す異常検出装置の回路の動作について説明する。比較器２２は、閾値電圧（Ｖ３）と、ダイオード３３の電圧（ＶＦ２）とを比較し、電圧（ＶＦ２）が閾値電圧（Ｖ３）より低くなると、比較器２２から、スイッチング素子Ｑ３の温度が異常温度に達したことを示す異常信号を出力する。閾値電圧（Ｖ３）は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の上限温度に相当する電圧の閾値であって、基準電圧（Ｖ１）に対して、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を規定することで、設定される電圧である。閾値電圧（Ｖ３）は、以下の式（６）で表される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の上限温度は、スイッチング素子に性能劣化が発生する温度や耐熱温度等の、性能上許容可能な温度範囲の上限値であって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の特性に応じて設計段階で予め決まっている。そして、スイッチング素子Ｑ３が上限温度に達した時に、ダイオード３３の降下電圧は、ダイオード３３の特性及びスイッチングモジュール３０３のレイアウトに応じて予め決まる。そのため、比較器２２において、当該降下電圧に相当するダイオード３３の電圧が入力された場合に、出力値が反転するよう、閾値電圧（Ｖ３）を設定する。

そして、スイッチング素子Ｑ３の温度が高くなり、上限温度に達すると、ダイオード３３の電圧（ＶＦ２）が閾値電圧（Ｖ３）より低くなるため、比較器２２は、スイッチング素子Ｑ３の異常を示す信号を出力する。

ここで、上記のように、スイッチング素子Ｑ３は、他のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５より温度上昇率が高い素子であるため、スイッチング素子Ｑ３が上限温度に達した場合でも、通常、他のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の温度は上限温度より低くなる。そのため、スイッチング素子Ｑ３の温度が上限温度に達した時点で、スイッチング素子Ｑ３の異常を検出し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のフェールセーフ制御を行うことで、スイッチング素子Ｑ３以外のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６についても、保護を図ることができる。

比較器２３は、閾値電圧（Ｖ４）と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度に相当する電圧（Ｖ５）とを比較して、電圧（Ｖ５）が閾値電圧（Ｖ４）より低くなると、比較器２３から、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ３の温度が異常温度に達したことを示す異常信号を出力する。電圧（Ｖ５）は、ダイオード３１のアノードの電圧に対して、抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗値を規定することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度に相当する、電圧であって、以下の式（７）で表される。

ダイオード３１、３５はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５と対応させつつ、直列に接続されているため、ダイオード３１のアノード側の電圧（ＶＦ１）は、スイッチング素子Ｑ１の温度とスイッチング素子Ｑ５の温度との合計温度に相当する。そして、式（７）において、抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗値を等しくすれば、電圧（ＶＦ１）を、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の個数（図５の例では２個）で除算していることになるため、電圧Ｖ５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５は平均温度に相当する電圧となる。

なお、図５に示す回路では、３個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を並列に配列し、その内２個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を、電圧Ｖ５で算出したが、並列に並べるスイッチング素子が増加し、ｎ個（ただし、ｎは２以上の整数である）になった場合には、上記の抵抗Ｒ５、Ｒ６の比率を、以下の式（８）を満たすように設定すれば、（ｎ−１）このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の平均温度に相当する電圧を算出することができる。

閾値電圧（Ｖ４）は、ダイオード３３の電圧（ＶＦ２）に対して、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値を規定することで、設定される電圧であり、以下の式（９）で表される。

スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５の温度が異常に高くなった場合には、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５の温度は、スイッチング素子Ｑ３の温度よりも高くなり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度は、スイッチング素子Ｑ３の温度より高くなる。そのため、比較器２３において、スイッチング素子Ｑ３の温度に基づく電圧（Ｖ４）と、平均温度に相当する（Ｖ５）とを比較することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出する。

また、式（９）に示すように、閾値電圧（Ｖ４）は、ダイオード３３の電圧（ＶＦ２）より低い電圧に設定されている。そのため、閾値電圧（Ｖ４）に相当する温度がスイッチング素子Ｑ３の温度よりも高くなるように、閾値電圧（Ｖ４）は設定されている。

通常、スイッチング素子Ｑ３の温度は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度より高くなる。しかし、過渡的には、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５が正常に動作している場合にも、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５の温度が、スイッチング素子Ｑ３の温度より高くなる場合がある。一方、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５に異常が生じている場合には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の温度は、過渡的に上昇した温度を超えて上昇する。そのため、本例では、比較器２３が、過渡的に温度上昇した場合にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５に異常が生じている、と誤検知しないように、閾値電圧（Ｖ４）が設定されている。言い換えると、本例は、最も温度上昇率の高いスイッチング素子Ｑ３の温度に対して偏差を持たせた閾値温度を設定し、当該閾値温度に相当する電圧を、閾値電圧（Ｖ４）として設定している。そして、当該偏差は、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値で規定される。

ここで、式（５）を用いて、当該偏差について説明する。まずスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度（Ａｖｅｒａｇｅ（ＴＪ１，ＴＪ５））は以下の式（１０）で表される。

スイッチング素子Ｑ３の温度（ＴＪ３）と式（１０）で示される平均温度（Ａｖｅｒａｇｅ（ＴＪ１，ＴＪ５））との差分をとることで、定常時の偏差（δ）が算出され、以下の式（１１）で示される。

ここに熱抵抗Ｒｔｈと正常時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の最大損失（Ｐｍａｘ）を式（１１）に代入することで、温度の偏差（δ）が算出される。さらに、偏差（δ）に相当する、ダイオード３３の降下電圧を、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値で規定する。これにより、算出部２１において、電圧（ＶＦ２）を用いて、閾値電圧（Ｖ４）が算出される。

そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５に異常が生じ、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度とスイッチング素子Ｑ３の温度との温度差が、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値で規定される偏差を超えると、電圧（Ｖ５）が閾値電圧（Ｖ４）より低くなるため、比較器２３は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を示す信号を出力する。

次に、図６を用いて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５に異常が生じた場合の温度推移に対する、本例の異常検出装置の異常検出のタイミングについて説明する。図６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度の時間特性を示すグラフであり、グラフａ_１はスイッチング素子Ｑ３に異常が生じた場合のスイッチング素子Ｑ３の温度特性を、グラフａ_２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５が正常な時のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度の温度特性を、グラフｂ_１はスイッチング素子Ｑ３が正常な時のスイッチング素子Ｑ３の温度の温度特性を、グラフｂ_２はスイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５に異常が生じた場合のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度の温度特性を示す。またグラフｃは、閾値電圧（Ｖ４）に相当する閾値温度（Ｔ４）を示すグラフである。温度（Ｔ３）は閾値電圧（Ｖ３）に相当する閾値温度である。

なお、図５に示す、異常検出の回路上では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度変化を、ダイオード３１〜３６の降下電圧に変換した上で、保護部２０で電圧を比較することで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を検出したが、ダイオード３１〜３６の降下電圧とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度は相関性を有しているため、以下では、ダイオード３１〜３６の電圧をスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の検出温度に置き換えて説明する。

まず、スイッチング素子Ｑ３に異常が生じた場合の異常検出について、グラフａ_１、ａ_２を用いて説明する。スイッチング素子Ｑ３に異常が生じている場合には、スイッチング素子Ｑ３の温度は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度との温度よより高い温度に早く上昇する。そして、時刻ｔ_２の時点で、スイッチング素子Ｑ３の温度が閾値温度（Ｔ３）より高くなり、比較器２２は出力を反転させて、スイッチング素子Ｑ３の異常を示す信号を出力する。

次に、スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５に異常が生じた場合の異常検出について、グラフｂ_１、ｂ_２、ｃを用いて説明する。スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５に異常が生じている場合には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度はスイッチング素子Ｑ３の温度より高い温度に早く上昇する。また閾値電圧（Ｖ４）に相当する閾値温度（Ｔ４）は、スイッチング素子Ｑ３の温度の上昇に伴い、スイッチング素子Ｑ３の温度より高い温度で時間の経過と共に上昇する。スイッチング素子Ｑ１又はスイッチング素子Ｑ５の温度上昇が始まった時には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度とスイッチング素子Ｑ３との温度差が小さいため、平均温度は閾値温度（Ｔ４）より低い。しかし、時間の経過と共に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度とスイッチング素子Ｑ３との温度差が大きくなると、平均温度と閾値温度（Ｔ４）との温度差が縮まり、時刻ｔ_１の時点で、平均温度が閾値温度（Ｔ４）より高くなる。そして、比較器２３は出力を反転させて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を示す信号を出力する。

一方、本例とは異なり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ３）より高くなった場合に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出する比較例について説明する。比較例において、閾値温度（Ｔ３）は固定した値であって、スイッチング素子Ｑ３の温度上昇とは相関性のない値である。そのため、図６に示すように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ３）に達するのは、時刻ｔ_１の後の時刻ｔ_３の時点となる。すなわち、本例はスイッチング素子Ｑ３の温度に基づいて設定した閾値温度（Ｔ４）とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度との偏差、言い換えればスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度とスイッチング素子Ｑ３の温度との偏差に基づいてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出することで、比較例より早く、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出することができる。

次に、図７を用いて、本例の異常検出装置の制御手順を説明する。なお、図７に示す制御フローは、所定の周期で行われている。ステップＳ１にて、検出部３０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度変化によるダイオード３１〜３６の降下電圧から、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検出する。ステップＳ２にて、算出部２１は、電圧（Ｖ５）を算出することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を算出する。ステップＳ３にて、算出部２１は、電圧（ＶＦ２）から閾値電圧（Ｖ４）を算出することで、当該閾値電圧（Ｖ４）に相当する閾値温度（Ｔ４）を算出する。

ステップＳ４にて、比較器２２が電圧（ＶＦ２）と閾値電圧（Ｖ３）とを比較することで、スイッチング素子Ｑ３の温度が閾値温度（Ｔ３）より高いか否かを判定する。スイッチング素子Ｑ３の温度が閾値温度（Ｔ３）より高い場合には、ステップＳ６に遷る。

一方、スイッチング素子Ｑ３の温度が閾値温度（Ｔ３）以下である場合には、ステップＳ５にて、比較器２３が電圧（Ｖ５）と閾値電圧（Ｖ４）とを比較することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ４）より高いか否かを判定する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ４）より高い場合には、ステップＳ６に遷る。一方、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ４）以下である場合には、本例の制御を終了する。

ステップＳ４に戻り、スイッチング素子Ｑ３の温度が閾値温度（Ｔ３）より高い場合には、ステップＳ６にて、保護部２０はスイッチング素子Ｑ３に異常が生じたと判断し、比較器２２は、スイッチングＱ３の異常を示す信号を駆動部８に送信し、駆動部８は当該信号に基づき、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のフェールセーフ制御を行い、本例の制御を終了する。

ステップＳ５に戻り、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が閾値温度（Ｔ４）より高い場合には、ステップＳ６にて、保護部２０はスイッチング素子Ｑ１またはスイッチング素子Ｑ５に異常が生じたと判断し、比較器２２は、スイッチング素子Ｑ１またはスイッチング素子Ｑ５の異常を示す信号を駆動部８に送信し、駆動部８は当該信号に基づき、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のフェールセーフ制御を行い、本例の制御を終了する。

上記のように、本例は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ対応して設けられたダイオード３１〜３６と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を検出する保護部２０とを備え、保護部２０は、算出部２１によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を算出し、比較器２２において、スイッチング素子Ｑ３の検出温度と閾値温度（Ｔ３）とを比較し、比較器２３において当該平均温度と閾値温度（Ｔ４）とを比較し、比較器２２の比較結果及び比較器２３の比較結果に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を検出する。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６及びダイオード３１〜３６の個数と同数の比較器２２、２３を設ける必要がないため、比較器２２、２３の数を抑制することができる。

また本例は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の中で最も温度上昇率が高いスイッチング素子Ｑ３の検出温度と閾値温度（Ｔ３）とを比較する。これにより本例は、比較器２２から出力される、スイッチング素子Ｑ３の異常を示す信号に基づいて、駆動部８でスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対してフェールセーフ制御を行うことで、スイッチング素子Ｑ３の温度が上限温度を超えることを防ぎつつ、他のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の温度上昇も防ぐことができる。

また本例において、閾値温度（Ｔ４）はスイッチング素子Ｑ３の検出温度に相当し、当該閾値温度（Ｔ４）とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度との温度差が、偏差（δ）に相当する所定値以上である場合に、スイッチング素子Ｑ１又はＱ５に異常が生じたと判定する。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度と、予め設定した固定値を比較して、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出する場合と比較して、本例は早く検出ことができ、また、検出精度を高めることができる。

また、本例において、閾値温度（Ｔ４）はスイッチング素子Ｑ３の検出温度に、偏差（δ）を加算した温度であり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度が当該閾値温度（Ｔ４）以上である場合に、スイッチング素子Ｑ１又はＱ５に異常が生じたと判定する。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度と、予め設定した固定値とを比較して、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を検出する場合と比較して、本例は早く検出ことができ、また、検出精度を高めることができる。

また本例において、検出部３０は、ダイオード３１〜３６と、電流源３７、３８とを有している。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度を算出する回路を安価な回路構成で実現することができる。

なお本例は、図８に示すように、検出部３０の検出値を入力とし、ソフトウェア上で、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を判定してもよい。図８は、本発明の変形例に係る異常検出装置のブロック図である。異常検出装置は、保護部２０と、検出部３０と、Ａ／Ｄコンバータ５０とを有している。Ａ／Ｄコンバータ５０は、検出部３０と保護部２０との間に接続され、検出部３０から出力されるダイオード３１のアノードの電圧及びダイオード３３のアノードの電圧を、デジタル変換し、保護部２０に出力する。

保護部２０は、温度算出部２４と、第１比較部２５と、第２比較部２６と、異常判定部２７とを有している。温度算出部２４は、Ａ／Ｄコンバータの出力値から、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の温度（Ｔ_Ｑ１、Ｔ_Ｑ３、Ｔ_Ｑ５）を算出する。そして、温度算出部２４は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の温度（Ｔ_Ｑ１、Ｔ_Ｑ５）を用いて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度（Ｔ_ＡＶＥ）を算出し、スイッチング素子Ｑ３の温度（Ｔ_Ｑ３）を用いて、偏差（δ）を含めた閾値温度（Ｔ４）を算出する。温度算出部２４は、第１比較部２５にスイッチング素子Ｑ３の温度（Ｔ_Ｑ３）を、第２比較部２６にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度（Ｔ_ＡＶＥ）及び閾値温度（Ｔ４）を出力する。

第１比較部２５は、閾値電圧（Ｔ３）とスイッチング素子Ｑ３の温度（Ｔ_Ｑ３）を比較し、スイッチング素子Ｑ３の温度（Ｔ_Ｑ３）が閾値温度（Ｔ３）より高い場合に、スイッチング素子Ｑ３の異常を示す信号を、異常判定部２７に出力する。第２比較部２６は、閾値電圧（Ｔ４）とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度（Ｔ_ＡＶＥ）とを比較し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の平均温度（Ｔ_ＡＶＥ）が閾値電圧（Ｔ４）より高い場合に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の異常を示す信号を、異常判定部２７に出力する。

そして、異常判定部２７は、第１比較部２５、２６から送信される信号に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の異常を信号が含まれている場合には、論理回路４１を介して、異常信号を駆動部８に送信する。駆動部８は当該異常信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のフェールセーフ制御を行う。

なお、上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は本発明の「複数の半導体素子」に相当し、ダイオード３１〜３６を含む検出部３０が「複数の温度検出手段」に相当し、保護部２０が本発明の「異常検出手段」に相当し、比較器２２または第１比較部２４が本発明の「第１の比較手段」に相当し、比較器２３または第２比較部２６が本発明の「第２の比較手段」に相当し、電流源３７が本発明の「第１の電流源」に相当し、電流源３８が本発明の「第２の電流源」に相当する。また、閾値温度（Ｔ３）が本発明の「第１の閾値温度」に、閾値温度（Ｔ４）が「第２の閾値温度」に、偏差（δ）に相当する温度が本発明の「所定の温度差」に相当する。

１…バッテリ
２…リレー
３…インバータ
Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６…ダイオード
４…負荷
５…コンデンサ
６…抵抗
７…電圧センサ
８…駆動部
９…冷却器
１０…コントローラ
２０…保護部
Ｒ１〜Ｒ８…抵抗
２１…算出部
２２、２３…比較器
２４…温度算出部
２５…第１比較部
２６…第２比較部
２７…異常判定部
２９…論理回路
３０…検出部
３１〜３６…ダイオード
３７、３８…電流源
４１…論理回路
４２…パルス発生器
３０１、３０３、３０５…スイッチングモジュール

Claims (5)

1. 複数の半導体素子と、
   前記複数の半導体素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の半導体素子の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段と、
   前記複数の半導体素子の異常を検出する異常検出手段とを備え、
   前記異常検出手段は、
   前記複数の半導体素子のうち一の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度と、前記一の半導体素子の上限温度を示す第１の閾値温度とを比較する第１の比較手段と、
   前記複数の半導体素子のうち他の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度から、前記他の半導体素子の平均温度を算出する温度算出手段と、
   前記平均温度と所定の第２の閾値温度とを比較する第２の比較手段とを有し、
   前記第１の比較手段の比較結果に基づいて、前記一の半導体素子の異常を検出し、
   前記平均温度と前記第２の閾値温度との温度差が予め定められた所定値以上である場合に、前記他のスイッチング素子に異常が生じたと判定し、
   前記一の半導体素子は、前記複数の半導体素子のうち最も温度上昇率の高い半導体素子であり、
   前記第２の閾値温度は前記一の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度である
   ことを特徴とする異常検出装置。
2. 複数の半導体素子と、
   前記複数の半導体素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の半導体素子の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段と、
   前記複数の半導体素子の異常を検出する異常検出手段とを備え、
   前記異常検出手段は、
   前記複数の半導体素子のうち一の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度と、前記一の半導体素子の上限温度を示す第１の閾値温度とを比較する第１の比較手段と、
   前記複数の半導体素子のうち他の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度から、前記他の半導体素子の平均温度を算出する温度算出手段と、
   前記平均温度と所定の第２の閾値温度とを比較する第２の比較手段とを有し、
   前記第１の比較手段の比較結果に基づいて、前記一の半導体素子の異常を検出し、
   前記平均温度が前記第２の閾値温度以上である場合に、前記他のスイッチング素子に異常が生じたと判定し、
   前記一の半導体素子は、前記複数の半導体素子のうち最も温度上昇率の高い半導体素子であり、
   前記第２の閾値温度は、前記一の半導体素子の温度を検出する前記温度検出手段の検出温度に対して予め定められた所定の偏差を加算した温度である
   ことを特徴とする異常検出装置。
3. 前記複数の温度検出手段は、
   前記複数の半導体素子にそれぞれ対応して設けられた複数のダイオードと、
   前記複数のダイオードのうち、前記一の半導体素子に含まれるダイオードに接続された第１の電流源と、
   前記複数のダイオードのうち、前記他の半導体素子に含まれる直列接続の複数のダイオードに接続された第２の電流源とを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の異常検出装置。
4. 複数の半導体素子のそれぞれの素子の温度を検出する検出工程と、
   前記検出工程により検出される、前記複数の半導体素子のうち一の半導体素子の検出温度と、前記一の半導体素子の上限温度を示す第１の閾値温度とを比較する第１の比較工程と、
   前記検出工程により検出される、前記複数の半導体素子のうち他の半導体素子の検出温度から、前記他の半導体素子の平均温度を算出する工程と、
   前記平均温度と所定の第２の閾値温度とを比較する第２の比較工程と、
   前記第１の比較工程の比較結果に基づいて、前記一の半導体素子の異常を検出する工程と、
   前記平均温度と前記第２の閾値温度との温度差が予め定められた所定値以上である場合に、前記他のスイッチング素子に異常が生じたと判定する工程とを含み、
   前記一の半導体素子は、前記複数の半導体素子のうち最も温度上昇率の高い半導体素子であり、
   前記第２の閾値温度は、前記検出工程により検出される前記一の半導体素子の検出温度である
   ことを特徴とする異常検出方法。
5. 複数の半導体素子のそれぞれの素子の温度を検出する検出工程と、
   前記検出工程により検出される、前記複数の半導体素子のうち一の半導体素子の検出温度と、前記一の半導体素子の上限温度を示す第１の閾値温度とを比較する第１の比較工程と、
   前記検出工程により検出される、前記複数の半導体素子のうち他の半導体素子の検出温度から、前記他の半導体素子の平均温度を算出する工程と、
   前記平均温度と所定の第２の閾値温度とを比較する第２の比較工程と、
   前記第１の比較工程の比較結果に基づいて、前記一の半導体素子の異常を検出する工程と、
   前記平均温度が前記第２の閾値温度以上である場合に、前記他のスイッチング素子に異常が生じたと判定し、
   前記一の半導体素子は、前記複数の半導体素子のうち最も温度上昇率の高い半導体素子であり、
   前記第２の閾値温度は、前記検出工程により検出される前記一の半導体素子の検出温度に対して予め定められた所定の偏差を加算した温度である
   ことを特徴とする異常検出方法。

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