JP6024210B2 - スイッチング装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体スイッチング回路の温度を測定する技術に関する。

スイッチングを行って直流電圧を他の電圧に変換する半導体スイッチング回路として、インバータや、チョッパが知られている。インバータは直流電圧を交流電圧に変換し、チョッパは直流電圧を昇圧／降圧して他の直流電圧に変換する。チョッパは力率改善回路として採用されることもある。

インバータであれ、チョッパであれ、半導体スイッチング回路のスイッチングを制御するため、あるいは過電流を検知するため、半導体スイッチング回路に流れる電流（以下「スイッチング電流」と仮称する）を検知する要求がある。

スイッチング電流を検出するための構成としては、これを簡易に実現すべく、抵抗（以下「電流検知用抵抗」）が採用される。電流検知用抵抗は、半導体スイッチング回路に入力する直流電圧を供給するための一対の電源線の一方上に設けられる。電流検知用抵抗における電流降下からスイッチング電流を検知するための構成を簡易にするため、電流検知用抵抗は上記電源線のうち、低電位側の電源線上に設けられることが多い。

他方、半導体スイッチング回路の過熱による破壊を防ぐため、半導体スイッチング回路の温度を検知する要求もある。当該温度を検知する構成としては、これを簡易に実現すべく、抵抗（以下「温度検知用抵抗」）が採用される。温度検知用抵抗は、通常の抵抗であっても（その抵抗値が温度依存性を有するので）かまわないが、より感度が高いサーミスタ（あるいはポジスタ）が採用されることも多い。

温度検知用抵抗は、半導体スイッチング回路の温度を検知するため、半導体スイッチング回路の近くに設けることが要求される。そして温度検知用抵抗における温度変化は、温度検知用抵抗の抵抗値の温度変化として検出できるので、温度検知用抵抗に電流を供給し、当該温度検知用抵抗における電圧降下を検知する。このような電流の供給や電圧降下の測定を行う回路を簡易に構成するため、温度検知用抵抗は低電位側の電源線と、所定の電位点との間に設けられることが多い。

このように、低電位側の電源線上に電流検知用抵抗が設けられ、低電位側の電源線に一端が接続された温度検知用抵抗が設けられる技術が、特許文献１に開示されている。

特許第４６３９９５０号公報

上記特許文献１でも示されるように、温度検知用抵抗は半導体スイッチング回路の温度を検知するために、半導体スイッチング回路に近く設けられることが望ましい。よって温度検知用抵抗の一端は、電流検知用抵抗と半導体スイッチング回路との間で低電位側電源線に接続されることが望まれる。

しかしながらこのような接続態様では、スイッチング電流が温度検知における誤差要因となりやすい。スイッチング電流の変化が電流検知用抵抗の電圧降下を変化させ、当該変化は温度検知用抵抗の一端の電位を変化させるからである。

この発明は上記の観点から、温度検知用抵抗の温度依存性に対する、電流検知用抵抗の電圧降下の影響を低減することを目的とする。

この発明にかかるスイッチング装置の第１の態様は、スイッチングを行って直流電圧を他の電圧に変換する半導体スイッチング回路（ＩＮＶ、ＣＨ）と、前記半導体スイッチング回路へ前記直流電圧を供給する高電位側電源線（Ｌ１）及び低電位側電源線（Ｌ２）と、前記低電位側電源線に挿入される電流検知用抵抗（Ｒ４）と、前記低電位側電源線が与える第１電位（ＧＮＤ）よりも電位が高い直流の第２電位（Ｖｃｃ）を供給する第２電位供給点と、一端と、前記第１電位供給点に接続される他端とを有する第１抵抗（Ｒ３）と、前記電流検知用抵抗と前記半導体スイッチング回路との間で前記低電位側電源線に接続される一端と、前記第１抵抗の前記他端に接続される他端とを有する温度検知用抵抗（Ｒｔｈ）と、少なくとも前記半導体スイッチング回路及び前記温度検知用抵抗を載置する基板（２）と、前記第１抵抗の前記他端と前記第１電位との間の電位差（Ｖ２）を分圧して出力する分圧回路（３）とを有する。

望ましくは前記分圧回路（３）は、一端と、前記第１抵抗の前記他端に接続された他端とを有する第２抵抗（Ｒ２）と、前記第２抵抗の前記一端に接続された一端と、前記第１電位が与えられる他端とを有する第３抵抗（Ｒ１）とを有する。

更に望ましくは、所定の温度範囲において前記温度検知用抵抗（Ｒｔｈ）が採る抵抗値（Ｒｔｈ１）と、前記第２抵抗（Ｒ２）と前記第３抵抗（Ｒ１）との直列接続と前記第１抵抗（Ｒ３）との並列接続が示す抵抗値とが等しい。

この発明にかかるスイッチング装置によれば、分圧回路を設けないときの第１抵抗の他端と第１電位との間の電位差よりも、分圧回路が出力する電圧の方が、電流検知用抵抗における電圧降下の変動の影響を受けにくい。よって温度検知用抵抗の抵抗値変化に基づいて、半導体スイッチング回路における温度変化を求めるときに、電流検知用抵抗に流れる電流の影響が低減される。

第１の実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す平面図である。 第２の実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す平面図である。

第１の実施の形態．
図１は第１の実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す回路図である。半導体スイッチング回路たるインバータＩＮＶは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有している。電源線Ｌ１，Ｌ２によってインバータＩＮＶに供給された直流電圧は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングによって三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗへ変換される。

低電位側の電源線Ｌ２には電流検知用抵抗Ｒ４が挿入される。

抵抗Ｒ３は一端と他端とを有しており、この一端には、直流電位Ｖｃｃが供給される電位供給点（これにも記号Ｖｃｃを採用する）が接続される。電位Ｖｃｃは、電源線Ｌ２が与える電位（ここでは接地電位ＧＮＤ）よりも電位が高い。

温度検知用抵抗Ｒｔｈの一端は、電流検知用抵抗Ｒ４とインバータＩＮＶとの間で、電源線Ｌ２に接続される。

基板２は、少なくともインバータＩＮＶ及び温度検知用抵抗Ｒｔｈを載置する。

抵抗Ｒ２は一端と他端とを有しており、この他端は抵抗Ｒ３の他端に接続される。抵抗Ｒ１は一端と他端とを有しており、この一端は抵抗Ｒ２の一端に接続される。抵抗Ｒ１の他端には電位ＧＮＤが与えられる。

抵抗Ｒ１，Ｒ２は、抵抗Ｒ３の他端（抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点）と電位ＧＮＤとの間の電位差Ｖ２を分圧して出力する分圧回路３として機能する。

電流検知用抵抗Ｒ４にはインバータＩＮＶに流れる電流によって電圧降下Ｖ４が発生し、これにより温度検知用抵抗Ｒｔｈの一端の電位は電位（Ｖ４＋ＧＮＤ）となる。接地電位ＧＮＤの電位は０であり、抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる電流ｉ１、温度検知用抵抗Ｒｔｈに流れる電流ｉ２が、いずれも電位供給点Ｖｃｃ側から流れるとすると、抵抗Ｒ３，Ｒ２，Ｒｔｈが接続される点に電位Ｖ２が発生するとして、下記の式が成立する。但し、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒｔｈの抵抗値としても、それぞれ記号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒｔｈを採用した。また、電位Ｖ１は抵抗Ｒ１，Ｒ２同士を接続する点の電位である。

上記の式から、電位Ｖ２を消去して下記の式が成立する。

ここでＲ２＝０、Ｒ１＝∞とすれば、Ｖ１＝Ｖ２であり、特許文献１で示された構成と同様の構成が得られる。

よって温度検知用抵抗Ｒｔｈの変動は電位Ｖ１の変動として検出することができる。但し、電位Ｖ１は電圧降下Ｖ４にも依存するので、この依存性は小さいことが望ましい。そこで電位Ｖ１の変動が電圧降下Ｖ４の変動によってどの程度の影響を受けるかを検討する。電位Ｖ１を電圧降下Ｖ４で微分して下式の微分値が得られる。

上式の最右辺は、抵抗Ｒ１の抵抗値が他の抵抗の抵抗値に対して非常に大きい場合の微分値であり、特許文献１のように抵抗Ｒ１，Ｒ２を設けない場合の微分値に相当する。抵抗Ｒ１，Ｒ２を設けた場合の微分値の方が、設けない場合の微分値よりも小さいので、当該実施の形態で開示された技術の方が、特許文献１に開示された技術よりも、電圧降下Ｖ４の変動の影響を受けにくい測定量で、温度検知用抵抗Ｒｔｈの変動を検知できる。

このように分圧回路３を設けないときの抵抗Ｒ３の他端と電位ＧＮＤとの間の電位差よりも、分圧回路３が出力する電圧の方が、電流検知用抵抗Ｒ４における電圧降下Ｖ４の変動の影響を受けにくい。よって温度検知用抵抗Ｒｔｈの抵抗値変化に基づいて、インバータＩＮＶにおける温度変化を求めるときに、電流検知用抵抗Ｒ４に流れる電流の影響が低減される。つまり、温度検知用抵抗Ｒｔｈの温度依存性に対する、電流検知用抵抗Ｒ４の電圧降下Ｖ４の影響を低減することができる。

図２はこの実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す平面図である。インバータＩＮＶの温度測定の精度を高めるためには、インバータＩＮＶと温度検知用抵抗Ｒｔｈとは同じ基板２に搭載されることが望ましい。但し、図２では抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も同じ基板２に搭載されている場合が例示されている。

このようにインバータＩＮＶと温度検知用抵抗Ｒｔｈとは同じ基板２に搭載され、導体パターン２１で接続される。導体パターン２１は例えば銅を主成分とする金属で形成されるので、熱伝導も良好であり、温度検知用抵抗ＲｔｈはインバータＩＮＶの温度を良好に反映する。

第２の実施の形態．
図３は第２の実施の形態にかかるスイッチング装置の他の構成を示す回路図である。半導体スイッチング回路たるチョッパＣＨは、スイッチング素子Ｑ０とダイオードＤを有している。直流電圧Ｖｄｃは電源線Ｌ１に挿入されたコイル４と、チョッパＣＨと、電流検知用抵抗Ｒ４との直列接続に引加される。電源線Ｌ２には電流検知用抵抗Ｒ４が挿入され、電源線Ｌ２の、電流検知用抵抗Ｒ４に対してチョッパＣＨと反対側には電位ＧＮＤが与えられている。

温度検知用抵抗Ｒｔｈの一端は、電流検知用抵抗Ｒ４とチョッパＣＨとの間で、電源線Ｌ２に接続される。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と温度検知用抵抗Ｒｔｈとの接続関係は、第１の実施の形態と同様である。

チョッパＣＨはコイル４と共に昇圧チョッパを構成し、外部に接続されるコンデンサＣに直流電圧Ｖ０を引加する。つまりチョッパＣＨはコイル４と協働して直流電圧の変換を行うと把握することができる。

この場合にも電流検知用抵抗Ｒ４にはチョッパＣＨに流れる電流によって電圧降下Ｖ４が発生する。よって分圧回路３を採用することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図４はこの実施の形態にかかるスイッチング装置の構成を示す平面図である。チョッパＣＨの温度測定の精度を高めるためには、チョッパＣＨと温度検知用抵抗Ｒｔｈとは同じ基板２に搭載されることが望ましい。但し、図４では抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も同じ基板２に搭載されている場合が例示されている。コイル４及びコンデンサＣは抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、電流検知用抵抗Ｒ４、温度検知用抵抗Ｒｔｈと比較して形状が大きいため、基板２に搭載しない場合もある。

チョッパＣＨも、第１の実施の形態で示されたインバータＩＮＶと同様に、温度検知用抵抗Ｒｔｈとは同じ基板２に搭載され、導体パターン２１で接続される。よって温度検知用抵抗ＲｔｈはチョッパＣＨの温度を良好に反映する。

第３の実施の形態．
本実施の形態では各抵抗の抵抗値の望ましい範囲を説明する。最も精度を必要とする温度において温度検知用抵抗Ｒｔｈが抵抗値Ｒｔｈ１とすると、抵抗値Ｒｔｈ１が、微分値（ｄＶ１／ｄＶ４）を最小にすることが望ましい。微分値（ｄＶ１／ｄＶ４）を更に抵抗値Ｒｔｈで微分して下式を得る。

よって抵抗値Ｒｔｈ１は下式で求められ、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列接続と、抵抗Ｒ３との並列接続が示す抵抗値に等しい。

換言すれば、抵抗値Ｒｔｈ１が予め想定される場合、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、上式の関係を満足するように選定されることが効果的である。もちろん、最も精度を必要とする温度範囲が予め想定される場合には、当該温度範囲について温度検知用抵抗Ｒｔｈがとる抵抗値の平均値を抵抗値Ｒｔｈ１として採用することができる。

また、温度検知用抵抗Ｒｔｈ、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４はいわゆるブリッジ回路を形成している。具体的には温度検知用抵抗Ｒｔｈと抵抗Ｒ１とが対向する辺に配置され、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４とが対向する辺に配置される。

このようなブリッジ回路において、電圧降下Ｖ４の影響を低減するには、抵抗Ｒ２におおける電圧降下（Ｖ２−Ｖ１）を電圧降下Ｖ４に等しくとればよい。

Ｒ２＝ｍ・Ｒ１、Ｖｃｃ＝ｋ・Ｖ４とおくと、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の比ｍとして採用されることが望ましい値は下記のようにして求まる。

よって電圧降下Ｖ４がある程度予測される場合、上記の比ｍを採用して抵抗Ｒ１，Ｒ２を設定することが望ましい。例えば、温度検知用抵抗Ｒｔｈが抵抗値Ｒｔｈ１を採る温度において、電圧降下Ｖ４の平均値（当該平均値はインバータＩＮＶやチョッパＣＨのスイッチング周期以上の長さにおける平均値である）が値Ｖ４１〜Ｖ４２であると想定する。この場合、電圧降下Ｖ４に想定される範囲の平均値Ｖ＾＝（Ｖ４１＋Ｖ４２）／２を導入して、ｋ＝Ｖｃｃ／Ｖ＾に設定されることが望ましい。

２ 基板
３ 分圧回路
Ｌ１，Ｌ２ 電源線
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 電流検知用抵抗
Ｒｔｈ 温度検知用抵抗

Claims (3)

1. スイッチングを行って直流電圧を他の電圧に変換する半導体スイッチング回路（ＩＮＶ、ＣＨ）と、
   前記半導体スイッチング回路へ前記直流電圧を供給する高電位側電源線（Ｌ１）及び低電位側電源線（Ｌ２）と、
   前記低電位側電源線に挿入される電流検知用抵抗（Ｒ４）と、
   前記低電位側電源線が与える第１電位（ＧＮＤ）よりも電位が高い直流の第２電位（Ｖｃｃ）を供給する第２電位供給点と、
   一端と、前記第１電位供給点に接続される他端とを有する第１抵抗（Ｒ３）と、
   前記電流検知用抵抗と前記半導体スイッチング回路との間で前記低電位側電源線に接続される一端と、前記第１抵抗の前記他端に接続される他端とを有する温度検知用抵抗（Ｒｔｈ）と、
   少なくとも前記半導体スイッチング回路及び前記温度検知用抵抗を載置する基板（２）と、
   前記第１抵抗の前記他端と前記第１電位との間の電位差（Ｖ２）を分圧して出力する分圧回路（３）と
   を有する、スイッチング装置。
2. 前記分圧回路（３）は、
   一端と、前記第１抵抗の前記他端に接続された他端とを有する第２抵抗（Ｒ２）と、
   前記第２抵抗の前記一端に接続された一端と、前記第１電位が与えられる他端とを有する第３抵抗（Ｒ１）と
   を有する、請求項１記載のスイッチング装置。
3. 所定の温度範囲において前記温度検知用抵抗（Ｒｔｈ）が採る抵抗値（Ｒｔｈ１）と、前記第２抵抗（Ｒ２）と前記第３抵抗（Ｒ１）との直列接続と前記第１抵抗（Ｒ３）との並列接続が示す抵抗値とが等しい、請求項２記載のスイッチング装置。

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