JP7540392B2

JP7540392B2 - 並列接続半導体素子の温度バランス制御装置および温度バランス制御方法

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Publication number: JP7540392B2
Application number: JP2021088055A
Authority: JP
Inventors: 隼比嘉; 孝則林; 昌司滝口
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2024-08-27
Anticipated expiration: 2041-05-26
Also published as: JP2022181237A

Description

本発明は、電力変換装置における、並列接続された半導体デバイス（ＩＧＢＴなど）のジャンクション温度をバランスさせる技術に関する。

電力変換装置において、従来、並列接続された半導体素子の温度アンバランスを解消するために半導体素子の損失から半導体素子のジャンクション温度を推定し、電流指令値やゲートタイミングを制御する方式がある（例えば特許文献１）。

また、並列接続した各半導体素子に温度検出用のダイオードを接続し、そのダイオードの順方向電圧と電流から、半導体素子付近の温度を推定し、推定した温度をバランスさせるように各素子のスイッチングタイミングをずらす方式がある（例えば特許文献２）。

図６に、特許文献２の、並列接続した半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴなど）の温度バランスを実現するブロック図を示す。図６は、インバータなどの電力変換装置における、例えばブリッジ接続された半導体素子（半導体スイッチング素子）のうち１個の半導体素子を、並列接続した３個の半導体素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成し、それら３個の半導体素子の温度をバランスさせるブロックを示している。

１２は、半導体素子１１ａ～１１ｃに流れる電流の合計電流値ｉａｌｌを検出する電流検出部１３の検出電流と、図示省略の熱電対もしくは温度検出用のダイオードを用いて各半導体素子１１ａ～１１ｃの温度を検出した温度検出信号Ｔ_ca，Ｔ_cb，Ｔ_ccと、コントローラ内で指令値とキャリアを比較して半導体素子１１ａ～１１ｃのオン又はオフのタイミングを決めたオン、オフ信号とを入力とし、ドライバ１４ａ～１４ｃを介して各半導体素子１１ａ～１１ｃのオン、オフのタイミングを遅延させることで各半導体素子１１ａ～１１ｃに流れる電流の大きさを調整するオン、オフタイミング制御部である。

Ｇ_a～Ｇ_cは半導体素子１１ａ～１１ｃに入力されるゲート信号である。

図６の構成によって半導体素子１１ａ～１１ｃの損失の割合が調整され、素子温度が均等化される。

特許第５４５５７５６号公報特開２０１４－２３３１２７号公報

前記特許文献１の方法では、ユニット平均の温度は解消するが電力変換器内のデバイス温度のアンバランスは解消できない。

また、特許文献２および図６の方法では、半導体素子のジャンクション温度が短周期で変化する場合、ジャンクション温度を正確に推定できない課題がある。同様にサーミスタや熱電対を用いた場合でも測定点からチップまでの熱抵抗によりジャンクション温度をバランスできない課題がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、並列接続された複数の半導体素子の温度をバランスさせることができる並列接続半導体素子の温度バランス制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、
電力変換装置における、並列接続された複数の半導体素子の温度バランスを制御する装置であって、
前記並列接続された複数の半導体素子のオン電圧、オン電流を検出する電圧・電流検出部と、
前記電圧・電流検出部で検出されたオン電圧とオン電流のデータを入力とし、前記各半導体素子のオン電圧－オン電流－温度の関係から各半導体素子の温度を推定する温度推定部と、
前記温度推定部で推定された前記各半導体素子の温度をそれぞれの推定温度とし、それら各推定温度の平均値を計算し、その平均値から前記各推定温度を差し引いて、それぞれの温度差分を求める温度差分演算部と、
前記温度差分演算部で求められた各温度差分を、該各温度差分に相当する調整時間にそれぞれ変換する温度差分－調整時間変換部と、
前記各半導体素子のうち何れかのゲート信号を基準とし、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整部と、を備え、
前記オン時間調整部は、前記各半導体素子の前記推定温度の大小関係に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整部と、を備えたことを特徴とする。

第２態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１態様において、
前記オン時間調整部は、前記各半導体素子の前記推定温度の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を、半導体素子のオンタイミングで行うかオフタイミングで行うかを選択し、前記各半導体素子のターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択することを特徴としている。

第３態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１態様において、
前記オン時間調整部は、前記各半導体素子のターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択し、前記オン時間の調整は、半導体素子のオンタイミングのみで行うことを特徴とする。

第４態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１～第３態様のいずれか１つにおいて、
前記オン時間調整部は、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間ΔＴｄが、ΔＴｄ＞０であればオン時間を増加し、ΔＴｄ＜０であればオン時間を低下させることを特徴とする。

第５態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１～第４態様のいずれか１つにおいて、
前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間を制限するリミッタを設けたことを特徴とする。

第６態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１～第５態様のいずれか１つにおいて、
前記電圧・電流検出部は、前記複数の半導体素子毎のオン電圧とオン電流を各々検出することを特徴としている。

第７態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置は、前記第１～第５態様のいずれか１つにおいて、
前記電圧・電流検出部は、前記複数の半導体素子の並列体の両端間電圧と、複数の半導体素子各々のオン電流を検出することを特徴としている。

第８態様の並列接続半導体素子の温度バランス制御方法は、
電力変換装置における、並列接続された複数の半導体素子の温度バランスを制御する方法であって、
前記並列接続された複数の半導体素子のオン電圧、オン電流を検出する電圧・電流検出部と、前記電圧・電流検出部で検出されたオン電圧とオン電流のデータを入力とし、前記各半導体素子のオン電圧－オン電流－温度の関係から各半導体素子の温度を推定する温度推定部と、を有し、
前記温度推定部で推定された前記各半導体素子の温度をそれぞれの推定温度とし、それら各推定温度の平均値を計算し、その平均値から前記各推定温度を差し引いて、それぞれの温度差分を求める温度差分演算ステップと、
前記温度差分演算ステップで求められた各温度差分を、該各温度差分に相当する調整時間にそれぞれ変換する温度差分－調整時間変換ステップと、
前記各半導体素子のうち何れかのゲート信号を基準とし、前記温度差分－調整時間変換ステップで変換された調整時間に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整ステップと、を備えたことを特徴とする。

（１）前記第１～第８態様の発明によれば、並列接続された複数の半導体素子の温度をバランスさせることができる。

（２）前記第２態様の発明によれば、半導体素子のオンタイミング、オフタイミングを個別に調整するので、ターンオン損失＋導通損失、もしくはターンオフ損失＋導通損失を調整することができ、半導体素子の温度をバランスさせることができる。

（３）前記第３態様の発明によれば、例えばインバータのように上、下アームに半導体素子が有り、デッドタイムを必要とする装置に対して、アーム短絡を防止することができる。

（４）前記第４態様の発明によれば、平均温度との温度差分に相当する調整時間の大小に応じてオン時間が増加又は低下されるので、スイッチング損失を各半導体素子で調整できるため、並列接続された複数の半導体素子の温度がバランスする。

（５）前記第５態様の発明によれば、リミッタにより調整時間が制限されるため、短絡は発生しない。

（６）前記第６態様の発明によれば、並列接続された複数の半導体素子間のインダクタンスのばらつきが大きい装置であっても、高精度に温度のバランスが実現される。

（７）前記第７態様の発明によれば、並列接続された複数の半導体素子間のインダクタンスのばらつきが小さい装置に対して、低コストに温度のバランスが実現される。

本発明の実施形態例の構成を示す簡易ブロック図。本発明の実施例１による温度バランス制御装置の構成図。本発明の実施例２による温度バランス制御装置の構成図。本発明の実施形態例におけるゲートタイミング制御の一例を示す説明図。本発明の実施形態例におけるゲートタイミング制御の他の例を示す説明図。従来の温度バランス制御装置のブロック図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図６の従来手法ではケース温度もしくは温度検出用のダイオードを用いて、ダイオードの順方向電圧と電流から半導体素子付近の温度を推定し、各素子の温度にアンバランスがある場合はゲートのオンオフタイミングを制御する。

しかし、温度検出用ダイオードによる温度推定ではチップとダイオードの間に熱抵抗があるため、ジャンクション温度が駆動中に大きく変化する条件では正確にジャンクション温度を推定できず、並列接続した半導体素子のジャンクション温度をバランスできない可能性がある。

そこで本実施形態例では、図１に示すように、各半導体素子１１ａ～１１ｃの動作中のオン電圧とオン電流を検出し（図示省略の電圧・電流検出部による）、それら検出したオン電圧と電流のデータから温度推定部２１（Ｔｊ推定）によって各半導体素子の温度を推定し、その推定した温度に基づいて、オン、オフタイミング制御部２２によって各ゲート駆動のタイミングを補正するように構成した。

図１において図６と同一部分は同一符号をもって示している。温度推定部２１は、前記電圧・電流検出部で検出されたオン電圧とオン電流のデータを入力とし、前記各半導体素子１１ａ～１１ｃのオン電圧－オン電流－温度の関係から各半導体素子の温度Ｔ_ja，Ｔ_jb，Ｔ_jcを推定する。

例えば、複数の半導体素子の温度条件下におけるオン電流対オン電圧の関係と、複数のオン電流条件下における半導体素子温度対オン電圧の関係をテーブル化した二次元テーブルを設けておき、半導体素子のオン電流とオン電圧の関係が温度によって依存しないクロスポイントを含む電流領域を不感帯に設定し、前記取得されたオン電流が不感帯の範囲内にないと判定された場合に、前記二次元テーブルを読み出して半導体素子の温度推定値（Ｔ_ja，Ｔ_jb，Ｔ_jc）を求めるものである。

オン、オフタイミング制御部２２は、温度推定部２１で推定された推定温度Ｔ_ja，Ｔ_jb，Ｔ_jcと、コントローラ内で指令値とキャリアを比較して半導体素子１１ａ～１１ｃのオン、オフタイミングを決めたオン、オフ信号とを入力とし、前記推定温度Ｔ_ja，Ｔ_jb，Ｔ_jcに応じて半導体素子１１ａ～１１ｃのオンタイミング、もしくはオンおよびオフタイミングを変更することによって半導体素子１１ａ～１１ｃのジャンクション温度をバランスさせる。

尚、並列接続される半導体素子の個数は図１の３個に限るものではない。

前記各半導体素子の動作中のオン電圧とオン電流を検出する電圧・電流検出部は、例えば実施例１の図２、実施例２の図３のように構成されている。

図２（実施例１）において、図１と同一部分は同一符号をもって示している。２３ａ～２３ｃは、半導体素子１１ａ～１１ｃに流れる電流を各々検出する電流検出器であり、２４ａ～２４ｃは半導体素子１１ａ～１１ｃのオン電圧を各々検出する電圧検出器である。

温度推定部２１は、電流検出器２３ａ～２３ｃで各々検出された検出電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃと、電圧検出器２４ａ～２４ｃで各々検出された検出電圧Ｖｃｅ＿ａ，Ｖｃｅ＿ｂ，Ｖｃｅ＿ｃを入力とする。その他の部分は図１と同様に構成されている。

このように図２の実施例１では、並列接続された全素子のオン電圧、電流を検出しジャンクション温度を推定しているので、並列接続モジュール間のインダクタンスのばらつきによるオン電圧の誤差を低減できるため（半導体モジュール直近のオン電圧を検出できるため）ジャンクション温度を高精度に推定できる。したがって、本実施例１では並列接続された半導体素子間の配線インダクタンスが大きい場合でもジャンクション温度をバランスさせることができる。

次に実施例２を示す図３において、図１と同一部分は同一符号をもって示している。２３ａ～２３ｃは、半導体素子１１ａ～１１ｃに流れる電流を各々検出する電流検出器であり、２４は半導体素子１１ａ～１１ｃの並列体の両端間電圧を検出する電圧検出器である。

温度推定部２１は、電流検出器２３ａ～２３ｃで各々検出された検出電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃと、電圧検出器２４で検出された検出電圧Ｖｃｅを入力とする。その他の部分は図１と同様に構成されている。

このように図３の実施例２では、オン電圧の検出を１台の電圧検出器２４で行っており、配線インダクタンスや抵抗が小さい場合であれば、並列接続された各半導体素子のオン電圧は同じである。本実施例２では並列接続された各半導体素子間の配線インダクタンスが小さい場合に適用できる。

図１～図３のオン、オフタイミング制御部２２は、前記温度推定部２１で推定された複数の半導体素子の温度の平均値から各半導体素子の推定温度を差し引いて、温度差分を求める温度差分演算部と、前記温度差分演算部で求められた温度差分を、該温度差分に相当する調整時間に変換する温度差分－調整時間変換部と、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整部の各機能を備え、例えば図４のように構成されている。

図４は、オン、オフタイミング制御部２２の各機能と、実施例１、２に適用するゲートタイミング制御のようすを示している。図４において３１は、温度推定部２１で推定された推定温度Ｔ_ja，Ｔ_jb，Ｔ_jcの平均値を計算する平均値算出器である。

３２ａは、前記温度の平均値から推定温度Ｔ_jaを差し引いて温度差分ΔＴ_jaを求める減算器であり、３２ｂは、前記温度の平均値から推定温度Ｔ_jbを差し引いて温度差分ΔＴ_jbを求める減算器である。

平均値算出器３１および減算器３２ａ，３２ｂによって本発明の温度差分演算部を構成している。

３３ａは入力される温度差分ΔＴ_jaから温度差分に相当する調整時間ΔＴ_daを出力するＰＩ制御器であり、３３ｂは入力される温度差分ΔＴ_jbから温度差分に相当する調整時間ΔＴ_dbを出力するＰＩ制御器である。ＰＩ制御器３３ａ，３３ｂによって本発明の温度差分－調整時間変換部を構成している。尚、ＰＩ制御器３３ａ，３３ｂに代えてＰ制御器を用いてもよい。

３４ａ，３４ｂは、ＰＩ制御器３３ａ，３３ｂから出力される調整時間ΔＴ_da，ΔＴ_dbに各々制限をかけ、短絡を防止するリミッタである。

３５は、リミッタ３４ａ，３４ｂから出力される調整時間に応じて各半導体素子１１ａ～１１ｃのオン時間を調整するオン時間調整部であり、各半導体素子１１ａ～１１ｃの温度の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を、半導体素子のオンタイミングで行うかオフタイミングで行うかを選択し、前記各半導体素子のターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択する機能を備えている。

前記オン時間の調整は、基準となるゲート信号（本例では半導体素子１１ｃのＧ_c）に対して、ΔＴ_da，ΔＴ_db＞０であればオン時間を増加し、ΔＴ_da，ΔＴ_db＜０であればオン時間を低下させる。

ΔＴ_da，ΔＴ_db＞０の場合は温度平均値よりも当該半導体素子の推定温度のほうが低い、すなわちオン時間が短いのでオン時間を増加させ、逆にΔＴ_da，ΔＴ_db＜０の場合は温度平均値よりも当該半導体素子の推定温度のほうが高い、すなわちオン時間が長いのでオン時間を低下させている。

これによって、各半導体素子１１ａ～１１ｃの温度をバランスさせることができる。

図４のゲート信号Ｇ_a～Ｇ_cの波形は、Ｇ_cを基準とし、ゲート信号Ｇ_aをターンオンタイミングでΔＴ_da分調整（オン時間増加）し、ゲート信号Ｇ_bをターンオフタイミングでΔＴ_db分調整（オン時間増加）した例を示している。

このとき、一番高い温度の半導体素子（もしくは低い素子）でオンタイミングを調整した場合、次点に温度が高い半導体素子（もしくは低い素子）はオフタイミングを調整する。半導体素子のデータシートより推定されるターンオフ損失とターンオン損失の大小関係で調整する順番を選択する。

半導体素子が３並列以上の場合、三番目以降の素子のオンタイミングとオフタイミングの調整の選択は、一番目の素子と次点の素子の選択順番と同じようにする。例として、一番目の半導体素子でターンオンタイミングの調整、次点の素子でターンオフタイミングの調整を行ったとき、三番目の素子ではターンオンタイミングの調整、四番目の素子ではターンオフタイミングの調整を行う。

基準となるゲート信号（図４の例ではＧ_c）は、温度の平均値に一番近いものを選択する。

このように、オン、オフタイミングを個別に調整することで、ターンオン損失＋導通損失もしくはターンオフ損失＋導通損失を調整できるため、半導体素子のジャンクション温度をバランスさせることができる。

次に、図１～図３のオン、オフタイミング制御部２２の他の例（実施例３）を図５とともに説明する。図５において図４と同一部分は同一符号をもって示している。図５において図４と異なる点は、リミッタ３４ａ，３４ｂの出力側に、前記オン時間調整部３５に代えて、各半導体素子１１ａ～１１ｃのターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択し、前記オン時間の調整は、半導体素子のターンオンタイミングのみで行うオン時間調整部４５を設けたことにあり、その他は図４と同様に構成されている。

図５の手法では、ターンオンタイミングのみを調整するので、上下アームに半導体素子（ＩＧＢＴなど）があり、デッドタイムを必要とする装置に対して、アーム短絡を防止することができる。

これによって、半導体素子のスイッチング損失を各素子で調整できるため、各半導体素子１１ａ～１１ｃの温度をバランスさせることができる。

図５のゲート信号Ｇ_a～Ｇ_cは、Ｇ_cを基準とし、ゲート信号Ｇ_aではターンオンタイミングにてオン時間をΔＴ_da__on分増加させるように調整し、ゲート信号Ｇ_bではターンオンタイミングにてオン時間をΔＴ_db__on分低下させるように調整した例を示している。

１１ａ～１１ｃ…半導体素子
１４ａ～１４ｃ…ドライバ
２１…温度推定部
２３ａ～２３ｃ…電流検出器
２４、２４ａ～２４ｃ…電圧検出器
３１…平均値算出器
３２ａ，３２ｂ…減算器
３３ａ，３３ｂ…ＰＩ制御器
３４ａ，３４ｂ…リミッタ
３５，４５…オン時間調整部

Claims

電力変換装置における、並列接続された複数の半導体素子の温度バランスを制御する装置であって、
前記並列接続された複数の半導体素子のオン電圧、オン電流を検出する電圧・電流検出部と、
前記電圧・電流検出部で検出されたオン電圧とオン電流のデータを入力とし、前記各半導体素子のオン電圧－オン電流－温度の関係から各半導体素子の温度を推定する温度推定部と、
前記温度推定部で推定された前記各半導体素子の温度をそれぞれの推定温度とし、それら各推定温度の平均値を計算し、その平均値から前記各推定温度を差し引いて、それぞれの温度差分を求める温度差分演算部と、
前記温度差分演算部で求められた各温度差分を、該各温度差分に相当する調整時間にそれぞれ変換する温度差分－調整時間変換部と、
前記各半導体素子のうち何れかのゲート信号を基準とし、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整部と、を備え、
前記オン時間調整部は、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間ΔＴｄが、ΔＴｄ＞０であればオン時間を増加し、ΔＴｄ＜０であればオン時間を低下させることを特徴とする並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
前記オン時間調整部は、前記各半導体素子の前記推定温度の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を、半導体素子のオンタイミングで行うかオフタイミングで行うかを選択し、前記各半導体素子のターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択することを特徴とする請求項１に記載の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
前記オン時間調整部は、前記各半導体素子のターンオフ損失とターンオン損失の大小関係に応じて、前記オン時間の調整を実行する半導体素子の順番を選択し、前記オン時間の調整は、半導体素子のオンタイミングのみで行うことを特徴とする請求項１に記載の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間を制限するリミッタを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
前記電圧・電流検出部は、前記複数の半導体素子毎のオン電圧とオン電流を各々検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
前記電圧・電流検出部は、前記複数の半導体素子の並列体の両端間電圧と、複数の半導体素子各々のオン電流を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の並列接続半導体素子の温度バランス制御装置。
電力変換装置における、並列接続された複数の半導体素子の温度バランスを制御する方法であって、
前記並列接続された複数の半導体素子のオン電圧、オン電流を検出する電圧・電流検出部と、前記電圧・電流検出部で検出されたオン電圧とオン電流のデータを入力とし、前記各半導体素子のオン電圧－オン電流－温度の関係から各半導体素子の温度を推定する温度推定部と、を有し、
前記温度推定部で推定された前記各半導体素子の温度をそれぞれの推定温度とし、それら各推定温度の平均値を計算し、その平均値から前記各推定温度を差し引いて、それぞれの温度差分を求める温度差分演算ステップと、
前記温度差分演算ステップで求められた各温度差分を、該各温度差分に相当する調整時間にそれぞれ変換する温度差分－調整時間変換ステップと、
前記各半導体素子のうち何れかのゲート信号を基準とし、前記温度差分－調整時間変換ステップで変換された調整時間に応じて、前記各半導体素子のオン時間を調整するオン時間調整ステップと、を備え、
前記オン時間調整ステップは、前記温度差分－調整時間変換部で変換された調整時間ΔＴｄが、ΔＴｄ＞０であればオン時間を増加し、ΔＴｄ＜０であればオン時間を低下させることを特徴とすることを特徴とする並列接続半導体素子の温度バランス制御方法。