JP6910230B2 - パワーモジュールのジャンクション温度測定方法 - Google Patents
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Description
このため、パワーモジュール内には、電力半導体素子の温度であるジャンクション温度を検出するために、NTC(Negative Temperature Coefficient−thermic resistor)が備えられる。しかし、NTCを用いてジャンクション温度を推定する技法は、インバータ入力電圧と電力半導体素子のスイッチング周波数の変化に対する補償のための手段を有していないので、正確なジャンクション温度の予測が不可能である。特に、NTCは、ジャンクション温度が上昇するときに、電力半導体素子から放出される熱によって電圧の変化を検出するので、熱インピーダンス(thermal impedance)も実際の電力半導体素子とはかなりの違いがある。
このように、NTCを適用してジャンクション温度を推定する技法の外にも、熱モデルを活用してジャンクション温度を推定する技法が知られている。熱モデルを利用する方法は、電力半導体素子の電圧、電流及びスイッチング周波数を考慮したパワー損失に基づいてジャンクション温度を推定する技法であって、NTCを利用する技術に比べて正確なジャンクション温度の推定が可能である。しかし、ジャンクション温度は、飽和温度まで上昇する過程で、一定の温度上昇の推移を持っている。よって、温度上昇の推移を正確に反映してこそ、作動中のパワーモジュールの正確なジャンクション温度の予測が可能である。
また、パワーモジュールのジャンクション温度を精度よく予測可能なので、温度ストレスによるパワーモジュールの耐久寿命をより精度よく予測することができる。
さらに、パワーモジュールのジャンクション温度を精度よく予測可能なので、パワーモジュールの過温度保護(derating)ロジックの動作時点を実際に所望の温度にすることができ、過温度保護ロジックによる出力量の損失発生を減少させることができる。
図1は本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法を示すフローチャートである。
図1に示す通り、、本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法は、複数の電力半導体素子を含むパワーモジュールのジャンクション温度測定方法であって、ジャンクション温度測定の対象となる対象電力半導体素子の入力電圧、入力電流及びスイッチング周波数に基づいて算出されたパワー損失と、対象電力半導体素子の熱抵抗に基づいて対象電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階(S11〜S13)と、対象電力半導体素子に隣接する隣接電力半導体素子の入力電圧、入力電流及びスイッチング周波数に基づいて算出されたパワー損失と、対象電力半導体素子の熱抵抗に基づいて隣接電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階(S21〜S23)と、対象電力半導体素子の温度変化予測値に第1時定数を適用し、隣接電力半導体素子の温度変化予測値に、第1時定数よりも大きい値を有する第2時定数を適用する段階(S14、S24)と、第1時定数が適用された対象電力半導体素子の温度変化予測値と、第2時定数が適用された隣接電力半導体素子の温度変化予測値とを組み合わせて、対象電力半導体素子の最終ジャンクション温度を導出する段階(S31)と、を含んで構成される。
図2及び図3は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法が適用されるパワーモジュールの一例を簡略に示す平面図及び側断面図である。
図2及び図3に示すように、パワーモジュールは、基板S上に配置される複数のIGBT11、12とダイオード21、22を含む。図2及び図3に示していないが、IGBT11、12とダイオード21、22は、基板Sに形成された導電パターンなどによって実現された電力ラインで相互電気的に接続でき、IGBT11、12とダイオード21、22には、制御のための信号を提供するためのワイヤーなどが接続されてもよい。また、パワーモジュールは、基板Sの下部に基板Sと密着するように冷却水通路30が備えられてもよい。冷却水通路30は、電力半導体素子11、12、21、22を冷却させるための冷却水が流れる。図3において、冷却水通路30は、基板Sの下部に1つ設置されるように示しているが、当該技術分野では様々な方式の冷却水通路構造が知られており、図3の例により本発明が限定されるものではない。冷却水通路30を流れる冷却水の流量及び温度はジャンクション温度の予測に適用でき、これについては後述する。
図4は本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法の概念を説明するために、単一電力半導体素子のみ作動した場合のジャンクション温度の変化と、相互隣接する多数の電力半導体素子が一緒に作動した場合のいずれか一つの電力半導体素子のジャンクション温度の変化とを比較して示すグラフである。
図4に破線で示したように、単一電力半導体素子のみ駆動した場合には、「Ti」と表示された時点でジャンクション温度が飽和領域に進入するが、複数の電力半導体素子を駆動した場合には、相互間の影響によりジャンクション温度が飽和領域に進入する時点が「Tm」であって、単一電力半導体素子のみ駆動した場合よりも遅延して現れ、単一電力半導体素子のみ駆動した場合よりも飽和領域の温度がさらに高く現れる。つまり、単一電力半導体素子のみ駆動した場合のジャンクション温度変化の上昇時定数よりも、複数の電力半導体素子を駆動した場合のジャンクション温度変化の上昇時定数がさらに大きく現れる。
例えば、車両の運行条件または運行モードがヒルホールド(Hill−Hold)条件である場合、車両のインバータ内のパワーモジュールは、一対の電力半導体素子のみスイッチングして駆動されるので、隣接電力半導体素子の発熱による影響が少ない。これに対し、車両の運行条件または運行モードがモータリング(Motoring)条件である場合には、パワーモジュール内のすべての電力半導体素子がスイッチングされるので、隣接電力半導体素子の発熱による影響が大きい。したがって、車両がヒルホールド状態の運行を行う場合には、隣接素子による影響が少なく反映され、図4に破線で示すような温度上昇推移が大きく適用されてジャンクション温度が測定される必要があり、モータリング状態の運行を行う場合には、隣接素子による影響が大きく反映されるよう図4に実線で示すような温度上昇推移が大きく適用されてジャンクション温度が測定される必要がある。
図5は本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法を実現するためのコントローラの構成図である。
図1及び図5を参照して、本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法の作用及び効果をさらに詳細に説明する。
ここで、電圧、電流及びそのスイッチング周波数に対する情報は、インバータを制御するための他の制御器から入力を受けることができる。図5に示すパワー損失演算部100の上部は、対象電力半導体素子のパワー損失を演算する部分であり、その下部は、隣接電力半導体素子のパワー損失を演算する部分である。
それぞれの電力半導体素子のパワー損失は、電流導通(conduction)状況で発生する導通損失と、スイッチング(switching)時に発生するスイッチング損失に区分でき、それぞれの損失は、予め設定された導通損失計算式及びスイッチング損失計算式により算出できる。パワー損失を計算するための計算式は、パワーモジュールが適用されるインバータの特性に応じて様々な因子が考慮されて予め設定できるもので、パワーモジュールを製作するメーカーや、パワーモジュールを適用して車両などの製品を製作するメーカーなどに応じて様々な方式で決定できる。これに関するこれ以上の詳細な説明は省略する。
次いで、コントローラの熱抵抗適用部200では、パワー損失演算部100で算出された対象電力半導体素子のパワー損失と隣接電力半導体素子のパワー損失にそれぞれ当該電力半導体素子の熱抵抗を乗算して各電力半導体素子の温度変化を算出することができる(S12、S13、S22、S23)。ここで、温度変化は、各電力半導体素子に電流が入力される時点での各電力半導体素子の温度上昇分を意味する。
電力半導体素子の熱抵抗は、電力半導体素子が含まれているパワーモジュールの固有特性及び冷却器の放熱特性に応じて決定できる。したがって、電力半導体素子の熱抵抗は、パワーモジュールにより電力の供給を受ける対象(例えば、モーター)と一緒に駆動試験を介して事前に実験的方法によって求めることができ、コントローラは、この実験的方法によって導出された熱抵抗を保存することにより、温度変化の導出に熱抵抗を適用することができる。
したがって、コントローラの熱抵抗適用部200は、冷却水通路を流れる冷却水の流量に関する情報の入力を流量計または他の制御器から受け、入力された冷却水の流量に該当する熱抵抗を導出した後(S12、S22)、導出された熱抵抗を、段階S11で演算されたパワー損失に乗算することにより、対象電力半導体素子及び隣接半導体素子の温度変化を算出することができる(S13、S23)。
次いで、コントローラの時定数適用部300では、段階S13で算出された対象電力半導体素子の温度変化に第1時定数を適用し、段階S23で算出された対象電力半導体素子の温度変化に第2時定数を適用する(S14、S24)。ここで、第2時定数は第1時定数よりも大きい値を有するように設定される。
次いで、コントローラは、第1時定数が適用された対象電力半導体素子の温度変化と第2時定数が適用された隣接電力半導体素子の温度変化とを組み合わせて、対象電力半導体素子の最終ジャンクション温度の変化を導出することができる(S31)。
このように、本発明の様々な実施形態は、ジャンクション温度測定の対象となる電力半導体素子の発熱による温度上昇分と、周辺に隣接した電力半導体素子の発熱による温度上昇分に互いに異なる時定数を適用して温度変化を導出することにより、ジャンクション温度上昇区間で隣接電力半導体素子の影響を正確に反映することができる。
図6及び図7はそれぞれ本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法の適用有無によるジャンクション温度の変化及びパワーモジュールの出力量を比較して示すグラフである。図6及び図7において、破線は本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法を適用していない場合、すなわち、対象電力半導体の温度変化及び周辺電力半導体の温度変化に1つの時定数(第1時定数)のみ適用した場合を示すものであり、実線は本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのジャンクション温度測定方法を適用した場合を示すものである。
したがって、本発明の一実施形態を適用する場合、車両の動的性能を低下させる保護レベル進入が遅延するにつれて、車両の出力量をさらに大きく確保することができる。これは再び図7に示す。
以上で説明したように、本発明の一実施形態に係るジャンクション温度測定方法は、パワーモジュールが適用される車両の運行条件ごとにジャンクション温度の上昇推移を変えて反映させることにより、ジャンクション温度測定の精度を向上させることができる。特に、本発明の様々な実施形態は、車両の運行条件ごとに周辺電力半導体素子の発熱による影響を反映することにより、車両の運行中にジャンクション温度の測定をさらに精度よく行うことができる。
また、本発明の一実施形態に係るジャンクション温度測定方法は、パワーモジュールのジャンクション温度を精度よく予測可能なので、温度ストレスによるパワーモジュールの耐久寿命をより精度よく予測することができる。さらに、前記パワーモジュールのジャンクション温度測定方法によれば、本発明の一実施形態に係るジャンクション温度測定方法は、パワーモジュールのジャンクション温度を精度よく予測可能なので、パワーモジュールの過温度保護(derating)ロジックの動作時点を実際所望の温度にすることができるため、過度に伴う過温度保護ロジックによる出力量損失発生を減少させることができる。
11、12、21、22 電力半導体素子, ダイオード
30 冷却水通路
100 パワー損失演算部
200 熱抵抗適用部
300 時定数適用部
400 ジャンクション温度決定部
Claims (6)
- 複数の電力半導体素子を含むパワーモジュールのジャンクション温度測定方法であって、ジャンクション温度測定の対象となる第1電力半導体素子のパワー損失及び熱抵抗に基づいて前記第1電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階と、
前記第1電力半導体素子の周辺に配置された第2電力半導体素子のパワー損失及び熱抵抗に基づいて前記第2電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階と、
前記第1電力半導体素子の温度変化予測値に第1時定数を適用し、前記第2電力半導体素子の温度変化予測値には前記第1時定数よりも大きい値を有する第2時定数を適用する段階と、
前記第1時定数が適用された前記第1電力半導体素子の温度変化予測値と前記第2時定数が適用された前記第2電力半導体素子の温度変化予測値とを組み合わせて前記第1電力半導体素子の最終ジャンクション温度を導出する段階と、を含んでなることを特徴とするパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。 - 前記第1電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階は、前記第1電力半導体素子の入力電圧、入力電流及びスイッチング周波数に基づいて、前記第1電力半導体素子のパワー損失を算出する段階と、前記第1電力半導体素子のパワー損失に前記第1電力半導体素子の熱抵抗を乗算して前記第1電力半導体素子の温度変化予測値を導出する段階とを含むことを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。
- 前記第2電力半導体素子の温度変化予測値を算出する段階は、前記第2電力半導体素子の入力電圧、入力電流及びスイッチング周波数に基づいて、前記第2電力半導体素子のパワー損失を算出する段階と、前記第2電力半導体素子のパワー損失に前記第2電力半導体素子の熱抵抗を乗算して前記第2電力半導体素子の温度変化予測値を導出する段階とを含むことを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。
- 前記第1電力半導体素子の熱抵抗は、前記パワーモジュールに適用された冷却水通路を流れる冷却水の流量に応じて、予め決定された値を有することを特徴とする請求項2に記載のパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。
- 前記第2電力半導体素子の熱抵抗は、前記パワーモジュールに適用された冷却水通路を流れる冷却水の流量に応じて、予め決定された値を有することを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。
- 前記最終ジャンクション温度を導出する段階は、前記第1時定数が適用された前記第1電力半導体素子の温度変化予測値と、前記第2時定数が適用された前記第2電力半導体素子の温度変化予測値とを合算し、合算された値に、前記パワーモジュールに適用された冷却水通路を流れる冷却水の温度を合算することにより、前記最終ジャンクション温度を導出することを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュールのジャンクション温度測定方法。
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