JP7149922B2

JP7149922B2 - パワーモジュール

Info

Publication number: JP7149922B2
Application number: JP2019209886A
Authority: JP
Inventors: 正喜坂居
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2022-10-07
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: US20210149473A1; JP2021083237A; CN112825459B; US11455023B2; CN112825459A; DE102020126646A1; DE102020126646B4

Description

この発明は、パワーモジュールからパワーデバイスの情報を出力する技術に関する。

従来、パワーデバイスを出力素子として用いるパワーモジュールにおいて、その外部からパワーデバイスの情報を読み取るためには、専用の配線が必要であった（例えば、特許文献１）。

特開平７－１０７７７１号公報

パワーデバイスの情報を読み取るために専用の配線をパワーモジュールに追加すると、パワーデバイスの情報を読み取る側のインターフェイスを変更する必要があった。そのため、従来品からの置き換えを行う場合は、基板などの装置の新規設計が必要となり、開発のためのコストと時間が必要になるという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、情報を読み取る側のインターフェイスを変更することなく、パワーデバイスの情報を出力することが可能なパワーモジュールの提供を目的とする。

本発明のパワーモジュールは、パワーデバイスを内蔵し、制御回路から取得した制御信号によりパワーデバイスを駆動するパワーモジュールであって、制御回路から制御信号が入力される複数の第１端子と、制御信号に基づきパワーデバイスを駆動すると共に、パワーモジュールの異常を検知する主回路と、主回路の異常検知時に第２端子からエラー信号を制御回路に出力するエラー出力回路と、エラー信号の出力時に、第１端子を制御回路への出力端子として動作させる切替回路と、を備え、出力端子として動作する第１端子から制御回路へパワーデバイスの情報が出力される。

本発明のパワーモジュールによれば、通常時は制御信号の入力端子として動作する第１端子を、エラー時に限ってパワーデバイスの情報の出力端子として用いることができる。従って、パワーデバイスの情報を読み取るために専用の配線が不要で、情報を読み取る側のインターフェイスを変更する必要がない。

実施の形態１のパワーモジュールとその制御回路であるマイコンを示す図である。実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す図である。切替回路の構成を示す図である。切替回路によって切り替えられる信号の流れに関わる主回路の構成を示す図である。実施の形態２のパワーモジュールとその制御回路であるマイコンを示す図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ－１．構成＞
図１は、実施の形態１のパワーモジュール１０Ａとその制御回路であるマイコン３を示している。図２は、パワーモジュール１０Ａの構成を示している。以下、図１と図２を用いてパワーモジュール１０Ａについて説明する。

パワーモジュール１０Ａには、制御電源Ｖ_ＣＣが接続されている。

パワーモジュール１０Ａは、パワーデバイス１と、パワーデバイス１を駆動するＩＣである駆動回路２とを備えている。

図１の例では、パワーデバイス１はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１と還流ダイオード１２によるパワーチップ１３が６つ組み合わされた三相ブリッジ回路であり、インバータを構成している。パワーデバイス１は、直流を交流に変換してモータ動作など行う。６つのパワーチップ１３のうち３つはハイサイド側（Ｐ側）であり、残りの３つはローサイド側（Ｎ側）である。Ｐ側とＮ側の夫々につき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が存在する。

駆動回路２は、主回路２１、エラー出力回路２２、切替回路２３、電流制限抵抗２４、第１端子Ｘ、および第２端子Ｙを備える。主回路２１は、パワーモジュール１０Ａ全体の異常を検知し、異常時にはパワーデバイス１への信号を遮断する保護機能を内蔵している。主回路２１の有する保護機能の一例は、短絡保護、温度保護、制御電源電圧低下保護などである。主回路２１は、異常を検知しない通常時には、第１端子Ｘに入力されたマイコン３からの制御信号であるＰＷＭ信号に基づきパワーデバイス１を駆動する。すなわち、主回路２１は保護回路と駆動回路として動作する。そして、通常時には第１端子Ｘは制御信号の入力端子として動作する。

上記の通りパワーデバイス１は６つのパワーチップから構成されているため、これに合わせて第１端子Ｘも６つ存在する。すなわち、ＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相の第１端子Ｘが存在する。

主回路２１が異常を検知すると、エラー出力回路２２はエラー信号を生成し、エラー信号を第２端子Ｙからマイコン３に出力する。具体的には、エラー出力回路２２は、主回路２１における異常検知の有無を表すエラー状態信号Ｆｏを生成し、第２端子Ｙからマイコン３に出力する。エラー出力回路２２は、図示しないが、トランジスタのオープンドレイン回路であり、その出力は、通常はプルアップ抵抗により５Ｖにプルアップされる。従って、通常時、すなわち異常が検知されない状態において、エラー状態信号ＦｏはＨｉｇｈ（Ｈ）レベルである。一方、異常時、すなわち異常が検知された状態では、エラー出力回路２２のトランジスタがオンし、エラー状態信号ＦｏはＬｏｗ（Ｌ）レベルとなる。以下、Ｌレベルのエラー状態信号Ｆｏをエラー信号ともいう。

切替回路２３は、エラー出力回路２２がエラー信号を出力すると、駆動回路２における信号の流れを切り替え、第１端子Ｘを出力端子として動作させる。

図３は、切替回路２３の構成を示している。切替回路２３は、ＮＯＴゲート２３１を備えて構成される。切替回路２３に入力されたエラー状態信号Ｆｏは、切替回路２３において２つに分岐する。分岐したエラー状態信号Ｆｏの一方は、そのままイネーブル信号ｅｎとして切替回路２３から出力され、他方は、ＮＯＴゲート２３１により極性が反転しディセーブル信号ｅｎバーとして出力される。

図４は、切替回路２３によって切り替えられる信号の流れに関わる主回路２１の構成を示している。主回路２１は、ＮＯＴゲート２１１，２１３、バッファ２１２、および抵抗２１４を備えている。ＮＯＴゲート２１１は入力側が第１端子Ｘに接続され、出力側がバッファ２１２に接続されている。バッファ２１２の入力側は、パワーデバイス１に接続されている。ＮＯＴゲート２１１とバッファ２１２の接続配線には分岐点が形成され、当該分岐点は抵抗２１４を介してグランドに接続されている。ＮＯＴゲート２１１と第１端子Ｘの接続配線には分岐点が形成され、当該分岐点には電流制限抵抗７を介してＮＯＴゲート２１３の出力側が接続されている。ＮＯＴゲート２１３の入力側はグランドに接続されている。ＮＯＴゲート２１１，２１３は、イネーブル端子とディセーブル端子を有している。ＮＯＴゲート２１１のイネーブル端子にはディセーブル信号ｅｎバーが入力され、ディセーブル端子にはイネーブル信号ｅｎが入力される。一方、ＮＯＴゲート２１３のイネーブル端子にはイネーブル信号ｅｎが入力され、ディセーブル端子にはディセーブル信号ｅｎバーが入力される。このようにＮＯＴゲート２１１，２１３では、イネーブル端子への入力信号とディセーブル端子への入力信号が逆転している。

＜Ａ－２．動作＞
次に、パワーモジュール１０Ａの動作を説明する。主回路２１がパワーモジュール１０Ａの異常を検知しない通常時、マイコン３は第１端子Ｘに制御信号を入力し、主回路２１は制御信号に基づきパワーデバイス１を駆動する。このとき、エラー出力回路２２は、Ｈレベルのエラー状態信号Ｆｏを出力する。切替回路２３は、エラー状態信号Ｆｏを受けて、Ｈレベルのイネーブル信号ｅｎとＬレベルのディセーブル信号ｅｎバーを出力する。従って、主回路２１において、ＮＯＴゲート２１１がイネーブル、ＮＯＴゲート２１３がディセーブルとなる。その結果、第１端子ＸからＮＯＴゲート２１１、バッファ２１２、パワーデバイス１の向きに制御信号が流れる。つまり、第１端子Ｘは制御信号の入力端子として機能する。

主回路２１はパワーモジュール１０Ａの異常を検知すると、パワーデバイス１への信号を遮断する。このとき、エラー出力回路２２は、Ｌレベルのエラー状態信号Ｆｏ、すなわちエラー信号を出力する。切替回路２３は、エラー状態信号Ｆｏを受けて、Ｌレベルのイネーブル信号ｅｎとＨレベルのディセーブル信号ｅｎバーを出力する。従って、主回路２１において、ＮＯＴゲートがディセーブル、ＮＯＴゲート２１３がイネーブルとなる。その結果、第１端子ＸからＮＯＴゲート２１１の向きに信号は流れず、ＮＯＴゲート２１３から入力端子へ信号が流れる。つまり、第１端子Ｘは出力端子として機能する。従って、主回路２１から第１端子Ｘを介してマイコン３へ、パワーデバイス１の情報を含む識別信号を出力することができる。ここで、識別信号に含まれるパワーデバイス１の情報とは、例えばパワーデバイス１の定格電流、定格電圧などである。

このように、パワーモジュール１０Ａは、異常時にはマイコン３からの制御信号を受け付けず、第２端子Ｙからエラー信号を出力するとともに、第１端子Ｘから識別信号を出力する。従って、マイコン３は、エラー信号により、第１端子Ｘが制御信号の入力端子として機能するか、または識別信号の出力端子として機能するかを認識することが可能である。

上記のように、第１端子Ｘはパワーデバイス１におけるパワーチップの数に応じて複数個存在する。従って、パワーモジュール１０Ａは第１端子Ｘの各端子における出力信号のＨレベルとＬレベルのパターンによって、パワーデバイス１の情報を表現することができる。言い換えれば、第１端子Ｘにおける出力の有無のパターンが、パワーデバイス１の情報に対応する。この場合、パワーモジュール１０Ａは、出力の有無のパターンに応じた多数の情報をマイコン３へ出力することができる。

また、ハイサイド側のＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相の第１端子Ｘと、ローサイド側のＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相の第１端子Ｘとで、パワーデバイス１の異なる情報を出力しても良い。駆動回路２において、Ｐ側の駆動部分は高電圧を使用し、Ｎ側の駆動部分は定電圧を使用する。そのため、駆動回路２はＰ側とＮ側とで分離した構成となっている場合がある。この場合、駆動回路２のＰ側とＮ側で連携を取ることが出来ない。このような場合でも、駆動回路２は、Ｐ側の第１端子ＸとＮ側の第１端子Ｘで別の情報を出力することにより、これらの情報をマイコンへ出力することができる。

＜Ａ－３．効果＞
以上に説明したように、実施の形態１のパワーモジュール１０Ａは、パワーデバイス１を内蔵し、制御回路であるマイコン３から取得した制御信号によりパワーデバイス１を駆動する。パワーモジュール１０Ａは、マイコン３から制御信号が入力される複数の第１端子Ｘと、制御信号に基づきパワーデバイス１を駆動すると共に、パワーモジュール１０Ａの異常を検知する主回路２１と、主回路２１の異常検知時に第２端子Ｙからエラー信号をマイコン３に出力するエラー出力回路２２と、エラー信号の出力時に、第１端子Ｘをマイコン３への出力端子として動作させる切替回路２３と、を備える。そして、出力端子として動作する第１端子Ｘからマイコン３へパワーデバイス１の情報が出力される。従って、パワーモジュール１０Ａによれば、通常時に制御信号の入力端子となる第１端子Ｘを用いて、異常時にパワーデバイス１の情報をマイコン３へ出力することができる。このように、パワーモジュール１０Ａには、パワーデバイス１の情報を出力するための専用配線が設けられないため、マイコン３側も、パワーデバイス１の情報を取得するためにインターフェイスを変更する必要がない。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ－１．構成＞
図５は、実施の形態２のパワーモジュール１０Ｂとその制御回路であるマイコン３を示している。パワーモジュール１０Ｂは、エラー状態信号Ｆｏの出力端子である第２端子Ｙに、マイコン３から切替信号が入力されることを特徴とする。すなわち、第２端子Ｙはエラー状態信号Ｆｏの出力端子であるとともに、切替信号の入力端子でもある。そして、パワーモジュール１０Ｂのエラー出力回路２２は、第２端子Ｙを通して切替信号が入力される入力回路を備えている（図示せず）。これ以外のパワーモジュール１０Ｂの構成は、実施の形態１のパワーモジュール１０Ａと同様である。

＜Ｂ－２．動作＞
エラー出力回路２２の入力回路に第２端子Ｙを通してマイコン３から切替信号が入力されると、切替回路２３は、エラー出力回路２２がエラー信号を出力した場合と同様に、駆動回路２における信号の流れを切り替え、第１端子Ｘを出力端子として動作させる。具体的には、例えば切替信号はエラー信号と同様のＬレベルの信号である。そして、切替回路２３は、図３でエラー信号について説明したのと同様に、切替信号に基づきイネーブル信号ｅｎとディセーブル信号ｅｎバーを作成する。

＜Ｂ－３．効果＞
このように、マイコン３から第２端子Ｙを介してエラー出力回路２２に切替信号が入力されると、切替回路２３は、エラー信号の発生を問わず、第１端子Ｘをマイコン３への出力端子として動作させる。これにより、マイコン３は、パワーデバイス１の情報を読み取るタイミングを自身で決定することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、または省略したりすることが可能である。

１パワーデバイス、２駆動回路、３マイコン、７電流制限抵抗、１０Ａ，１０Ｂパワーモジュール、１２還流ダイオード、１３パワーチップ、２１主回路、２２エラー出力回路、２３切替回路、２４電流制限抵抗、２１１，２１３，２３１ＮＯＴゲート、２１４抵抗、Ｘ第１端子、Ｙ第２端子。

Claims

パワーデバイスを内蔵し、制御回路から取得した制御信号により前記パワーデバイスを駆動するパワーモジュールであって、
前記制御回路から前記制御信号が入力される複数の第１端子と、
前記制御信号に基づき前記パワーデバイスを駆動すると共に、前記パワーモジュールの異常を検知する主回路と、
前記主回路の異常検知時に第２端子からエラー信号を前記制御回路に出力するエラー出力回路と、
前記エラー信号の出力時に、前記第１端子を前記制御回路への出力端子として動作させる切替回路と、を備え、
出力端子として動作する前記第１端子から前記制御回路へ前記パワーデバイスの情報が出力される、
パワーモジュール。
前記エラー信号の出力時に前記第１端子の各端子における出力の有無のパターンが、前記パワーデバイスの情報に対応する、
請求項１に記載のパワーモジュール。
ハイサイド側の前記制御信号が入力される前記第１端子と、ローサイド側の前記制御信号が入力される前記第１端子とでは、前記パワーデバイスの異なる情報が出力される、
請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
前記制御回路から前記第２端子を介して前記エラー出力回路に切替信号が入力されると、前記切替回路は、前記エラー信号の発生を問わず、前記第１端子を前記制御回路への出力端子として動作させる、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。