WO2014091852A1 - 半導体チップ温度推定装置及び過熱保護装置 - Google Patents

半導体チップ温度推定装置及び過熱保護装置 Download PDF

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小高　章弘
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    • H10D89/60—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a temperature estimation device for a semiconductor chip constituting a semiconductor module, and an overheat protection device for protecting a power converter from an overheat accident using the temperature estimation device.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the prior art described in Patent Document 1.
  • 101 is a rectifier circuit connected to a three-phase AC power source (not shown)
  • 102 is a smoothing capacitor
  • 103 is a heat sink in which an inverter 104 and a thermistor 105 are installed
  • 106 is a motor driven by the inverter 104.
  • 200 is a control device that controls the semiconductor switching element of the inverter 104
  • 201 and 202 are first and second set temperatures
  • 203 is a current detector
  • 204 and 205 are comparators
  • 206 is a current cutoff function
  • 207 is current.
  • 208 is a PWM control unit
  • 209 is a temperature detection unit
  • 210 is a T j (junction temperature) estimation unit.
  • the temperature detection value of the heat sink 103 obtained by the thermistor 105 and the temperature detection unit 209, the current detection value of the motor 106 by the current detector 203, and the drive signal (carrier frequency) by the PWM control unit 208 are estimated as T j.
  • the T j estimating unit 210 obtains a temperature rise corresponding to the conduction loss and the switching loss based on the current detection value and the drive signal, and adds this temperature rise to the temperature detection value of the heat sink 103 to obtain the temperature of the semiconductor switching element.
  • Junction temperature semiconductor chip temperature
  • the current of the inverter 104 is limited by the current limiting function 207, and the second set temperature 202 is higher than the first set temperature 201. If it exceeds, the current interruption function 206 interrupts the current of the inverter 104 to realize overheat protection.
  • Patent Document 2 discloses a control device for a power converter that limits the output current of the inverter so that the estimated semiconductor chip temperature does not exceed the allowable value when the synchronous motor enters a stalled state. ing.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the temperature estimation function of the semiconductor chip in the T j estimation unit 210 of FIG. 7, where 210a is a temperature rise estimation unit, 210b is an addition / subtraction unit, 210c is a semiconductor chip loss calculation unit, and 210d is a semiconductor. This is a chip temperature rise calculation unit.
  • the T j estimation unit 210 outputs an added value of the estimated temperature rise value due to the loss of the semiconductor chip and the temperature detection value by the thermistor 105 as the estimated temperature value of the semiconductor chip.
  • Japanese Patent No. 3075303 (paragraph [0006], FIG. 1 etc.)
  • Japanese Patent Laying-Open No. 2005-124387 (paragraphs [0021] to [0030], FIG. 1 etc.)
  • Patent Documents 1 and 2 are based on the premise that a cooling body temperature or a refrigerant temperature that is a reference temperature for estimating a semiconductor chip temperature is detected.
  • a temperature sensor such as a thermistor is installed in the cooling body.
  • a method of estimating the temperature of a cooling body or the like with a thermistor built in a semiconductor module without installing a thermistor separately in the cooling body or the like by incorporating a thermistor in a semiconductor module composed of a plurality of semiconductor chips is.
  • the thermistor may not be able to accurately estimate the temperature of the cooling body or the like due to the influence of heat generated by the semiconductor chip near the thermistor.
  • the problem to be solved by the present invention is that even when a semiconductor chip in the vicinity of a temperature sensor such as a thermistor generates heat, a cooling body or a refrigerant (hereinafter collectively referred to as “cooling element”) that serves as a base temperature for estimating the semiconductor chip temperature.
  • a semiconductor chip temperature estimation device that eliminates the need for a temperature sensor for detecting the temperature of the cooling element and reduces the cost and size of the power converter.
  • Another object of the present invention is to provide an overheat protection device that protects a semiconductor chip and a power converter from an overheat accident by a current limiting operation based on an estimated value of the semiconductor chip temperature.
  • a semiconductor chip temperature estimation device of the present invention relates to a semiconductor chip temperature estimation device that estimates the temperature of a semiconductor chip built in a semiconductor module together with a temperature sensor such as a thermistor.
  • a semiconductor chip temperature estimation device includes first estimation means for estimating a loss of a semiconductor chip by calculation using at least a current and a switching frequency of a semiconductor switching element in the semiconductor chip, A storage means in which a correlation between a temperature rise value which is a difference between a temperature detection value by a temperature sensor and a temperature of a cooling element such as a refrigerant or a cooling body for cooling the semiconductor module and a loss of the semiconductor chip is stored in advance; , Second estimation means for estimating the temperature rise of the temperature sensor using the estimated loss value of the semiconductor chip output from the first estimation means and the correlation; A third estimation means for subtracting the temperature rise estimated value of the temperature sensor output from the second estimation means from the temperature detection value by the temperature sensor to estimate the cooling element temperature, The temperature estimation means for estimating a temperature rise value which
  • the semiconductor chip temperature estimation apparatus is characterized in that the correlation in claim 1 approximates the relationship between the temperature rise of the temperature sensor and the loss of the semiconductor chip by a first order lag element. To do.
  • a semiconductor chip temperature estimation device wherein the first estimation unit, the storage unit, and the second estimation unit according to the first aspect are provided corresponding to a plurality of semiconductor chips, respectively.
  • the cooling element temperature is estimated by subtracting the sum of the temperature rise estimated values output from the plurality of second estimating means from the temperature detection value by the temperature sensor.
  • the semiconductor chip temperature estimating apparatus wherein the correlation in the first aspect approximates the relationship between the temperature rise of the temperature sensor and the loss of the semiconductor chip by the sum of a plurality of first-order lag elements. It is characterized by that.
  • a semiconductor chip temperature estimation device is the semiconductor chip temperature estimation device according to any one of claims 1 to 4, further comprising fourth estimation means for estimating a temperature rise of the semiconductor chip by calculation.
  • the semiconductor chip temperature estimated value output from the fourth estimating means and the cooling element temperature estimated value output from the third estimating means are added to obtain the semiconductor chip temperature estimated value.
  • the semiconductor chip temperature estimation device according to the fifth aspect, wherein the fourth estimation means in the fifth aspect estimates the loss of the semiconductor chip by calculation using at least the current and switching frequency of the semiconductor switching element in the semiconductor chip. And 6th estimation means for estimating the temperature rise of the semiconductor chip by calculation using the estimated loss value of the semiconductor chip output from the fifth estimation means. .
  • the semiconductor chip temperature estimation device is the semiconductor chip temperature estimation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the cooling element is a refrigerant that cools the semiconductor module. To do.
  • An overheat protection device provides a semiconductor chip in which the estimated temperature of the semiconductor chip output from the estimated temperature of the semiconductor chip according to any one of the first to fourth aspects exceeds a set value. Means for limiting the current flowing through the semiconductor switching element by controlling the operation of the semiconductor switching element is provided.
  • the present invention it is possible to estimate the cooling element temperature without separately installing a temperature sensor such as a thermistor on a cooling element such as a refrigerant or a cooling body. For this reason, it is possible to reduce the number of parts and achieve downsizing and cost reduction of the power converter. Even if the temperature sensor is affected by the heat generated by a nearby semiconductor chip, the temperature of the cooling element can be estimated with high accuracy by subtracting the temperature rise based on the predetermined correlation from the temperature detection value by the temperature sensor. Can do. As described above, since the reliability of the cooling element temperature estimation value is high in the present invention, the reliability of the semiconductor chip temperature estimation value based on the cooling element temperature estimation value is also high, and the reliability of the semiconductor chip and the power converter is increased. Overheat protection can be performed safely and reliably.
  • FIG. 1 shows the principal part of the 1st Example of the semiconductor chip temperature estimation apparatus in embodiment. It is a block diagram which shows the principal part of 2nd Example of the semiconductor chip temperature estimation apparatus in embodiment. It is a block diagram which shows the principal part of 3rd Example of the semiconductor chip temperature estimation apparatus in embodiment. It is a block diagram which shows the principal part of the 4th Example of the semiconductor chip temperature estimation apparatus in embodiment. It is a block diagram which shows the 5th Example of the semiconductor chip temperature estimation apparatus in embodiment. It is a block diagram of the prior art described in patent document 1. FIG. It is a conceptual diagram which shows the temperature estimation function of the semiconductor chip in the Tj estimation part of FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power conversion device to which an embodiment of the present invention is applied.
  • This power converter is composed of a main circuit that drives a motor by a power converter composed of a three-phase inverter, and a control device for the inverter.
  • 10 is a smoothing capacitor to which a DC voltage is applied
  • 11 to 16 are semiconductor switching elements such as IGBTs and other semiconductor switching elements
  • a semiconductor chip comprising a free-wheeling diode 17 is a thermistor as a temperature sensor
  • 18 is a semiconductor module
  • 20 is a motor which is a load of the inverter
  • 21 is a heat sink for cooling the semiconductor chips 11-16.
  • the type and number of semiconductor switching elements, the type of power converter, and the number of phases are not particularly limited.
  • the control device estimates the temperature of the semiconductor chip of the present embodiment, in which the temperature detection value from the thermistor 17, the current detection value of the motor 20 by the current detector 19, and the carrier frequency from the PWM circuit 8 described later are input. It has a device 6.
  • the semiconductor chip temperature estimation device 6 includes a cooling element temperature estimation unit 1, a semiconductor chip temperature increase estimation unit 4, and an addition / subtraction means 5 that adds the outputs of both, and outputs from the semiconductor chip temperature estimation device 6.
  • the estimated semiconductor chip temperature is input to the current limit command circuit 7.
  • the current limit command circuit 7 generates a current limit command for limiting the current flowing through the semiconductor switching element (inverter output current) when the estimated semiconductor chip temperature exceeds the set value.
  • the current limit command includes a command to limit the current to zero (turn off the semiconductor switching element).
  • the current limit command is input to the PWM circuit 8.
  • the PWM circuit 8 generates a PWM signal based on a voltage command from a control circuit (not shown) and outputs the PWM signal to the subsequent gate drive circuit 9.
  • the gate drive circuit 9 generates a gate signal and turns on and off the semiconductor switching elements in the semiconductor chips 11 to 16, thereby causing the motor 20 to supply three-phase AC power by the DC / AC conversion operation of the inverter composed of the semiconductor chips 11 to 16. Supply.
  • the cooling element for cooling the semiconductor module 18 in FIG. 1 is a refrigerant such as water for forcibly cooling the heat sink 21, and the cooling element temperature estimation unit 1 in FIG. 1 is used as the refrigerant temperature estimation unit 1B. It is embodied as 1D.
  • the cooling element a cooling body such as a cooling fin may be used in addition to the refrigerant. In that case, the cooling body temperature is estimated as the cooling element temperature.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a refrigerant temperature estimation unit 1A, which is a main part of the first embodiment of the semiconductor chip temperature estimation device 6.
  • the refrigerant temperature estimation unit 1A includes a semiconductor chip loss calculation unit 2, a correlation storage unit 3A that stores the correlation between the thermistor temperature rise and the semiconductor chip loss, and the output of the correlation storage unit 3A.
  • Addition / subtraction means 22 for adding / subtracting the thermistor temperature detection value with the sign shown in the figure.
  • the refrigerant temperature estimation unit 1A is configured by hardware such as a CPU and a memory and software for executing a predetermined calculation.
  • the semiconductor chip loss calculation unit 2 constitutes the first estimation unit in the claims
  • the correlation storage unit 3A constitutes the storage unit and the second estimation unit in the claims
  • the addition / subtraction unit 22 corresponds to the first estimation unit in the claims.
  • 3 estimation means are configured.
  • the semiconductor chip loss calculation unit 2 has a function of estimating and calculating the loss of one semiconductor chip, such as a current detection value by the current detector 19 and a carrier frequency (switching frequency) from the PWM circuit 8. Information necessary for loss estimation is entered. In addition to the current detection value and the carrier frequency described above, the characteristics of the switching element and the free wheel diode are input to the semiconductor chip loss calculation unit 2, and the conduction calculated by using each of the switching element and the free wheel diode is estimated. It is desirable to output the total value of the loss and the switching loss as the semiconductor chip loss estimated value.
  • the correlation between the thermistor temperature rise and the semiconductor chip loss is stored in advance.
  • the correlation stored in the correlation storage unit 3 ⁇ / b> A in this way, the thermistor temperature rise is estimated from the semiconductor chip loss estimated value 2, and the thermistor temperature rise estimated value is input to the addition / subtraction means 22.
  • a temperature detection value by the thermistor 17 built in the semiconductor module 18 is also input to the addition / subtraction means 22.
  • the semiconductor chip temperature estimated value can be obtained by adding the refrigerant temperature estimated value and the output (semiconductor chip temperature rising estimated value) of the semiconductor chip temperature rising estimation unit 4 in FIG. it can.
  • the current limit command circuit 7 outputs a current limit command when the estimated semiconductor chip temperature exceeds the set value, and changes the on-duty of the semiconductor switching element or turns off the semiconductor switching element via the PWM circuit 8.
  • a protective operation is performed by a current limiting operation such as The configuration of the semiconductor chip temperature rise estimation unit 4 will be described with reference to a fifth embodiment to be described later, but may basically be the same as the temperature rise estimation means 210a shown in FIG.
  • the temperature detection value is input to the refrigerant temperature estimating unit 1A together with information necessary for estimating the loss of the semiconductor chip.
  • the refrigerant temperature can be estimated without being installed separately. Thereby, overheat protection can be performed without increasing the number of parts, and the cost and size of the power converter can be reduced.
  • the thermistor temperature detection value (temperature detection value of the cooling body or refrigerant) is used as the reference temperature of the semiconductor chip temperature estimation value, and this reference temperature is added / subtracted by the adding / subtracting means 210b.
  • the semiconductor chip temperature estimated value is calculated by adding to the estimated increase value.
  • the thermistor is affected by the heat generation of the semiconductor chip, and thus correctly estimates the temperature of the cooling body or the refrigerant. I can't. Therefore, when the temperature of the semiconductor chip is estimated using the thermistor temperature detection value as it is as the reference temperature as shown in FIG. 8, the estimation error of the semiconductor chip becomes large, and overheating protection may not be performed safely and reliably. Arise.
  • the thermistor temperature rise is estimated using a correlation that takes into account the influence of the heat generation of the semiconductor chip on the thermistor, so that the estimated temperature rise is the thermistor temperature detection value.
  • the refrigerant temperature can be accurately estimated, and as a result, the semiconductor chip temperature can be estimated with high accuracy.
  • FIG. 3 is a block diagram of the refrigerant temperature estimation unit 1B, which is the main part of the second embodiment of the semiconductor chip temperature estimation device 6.
  • the correlation between the thermistor temperature rise stored in the correlation storage unit 3B and the semiconductor chip loss is approximated by a first-order lag element as specifically expressed by Formula 1. .
  • FIG. 4 is a block diagram showing a refrigerant temperature estimation unit 1 ⁇ / b> C that is a main part of the third embodiment of the semiconductor chip temperature estimation device 6.
  • the losses of a plurality of semiconductor chips that affect the temperature rise of the thermistor are estimated, and the estimated values of the thermistor temperature rise are obtained using the correlation between the thermistor temperature rise and the semiconductor chip loss.
  • the refrigerant temperature is estimated by adding the estimated values of the thermistor temperature rises and subtracting them from the thermistor temperature detection value.
  • the semiconductor chip loss calculation units 2C 1 and 2C 2 estimate the losses of two semiconductor chips, such as the semiconductor chips 11 and 12 in FIG. 1, for example, and the calculation units 2C 1 and 2C, respectively. 2 features 2, is the same as that of the semiconductor chip loss calculation unit 2 in FIG.
  • the correlation storage units 3C 1 and 3C 2 approximate the correlation between the thermistor temperature rise and the semiconductor chip loss by, for example, a first order lag element.
  • the correlation stored in the correlation storage units 3C 1 and 3C 2 is not necessarily the same.
  • the thermistor temperature rise estimated values estimated using the respective correlations in the same manner as in the second embodiment are added by the addition / subtraction means 23, and the addition value is subtracted from the thermistor temperature detection value in the subsequent addition / subtraction means 22.
  • the estimated refrigerant temperature value is obtained.
  • the semiconductor chip in the vicinity of the thermistor 17 but also the heat generated by the semiconductor chip disposed far from the thermistor 17 affects the temperature rise of the thermistor 17.
  • By estimating the thermistor temperature rise by using the correlation between the individual loss and the thermistor temperature rise it is possible to estimate the refrigerant temperature more accurately and thus the semiconductor chip temperature with high accuracy. .
  • FIG. 5 is a block diagram showing a refrigerant temperature estimation unit 1D which is a main part of the fourth embodiment of the semiconductor chip temperature estimation device 6.
  • the correlation between the thermistor temperature rise stored in the correlation storage unit 3D and the semiconductor chip loss is approximated by the sum of a plurality of first-order lag elements as shown in Equation 2, for example. .
  • This Formula 2 is a total of n first-order lag elements shown in Formula 1.
  • an actual correlation can be obtained by combining a plurality of first-order lag elements.
  • the refrigerant temperature can be estimated with higher accuracy.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a fifth embodiment of the semiconductor chip temperature estimating device 6.
  • the fifth embodiment includes the refrigerant temperature estimation section 1A shown in the first embodiment of FIG. 2, the semiconductor chip temperature rise estimation section 4 and the addition / subtraction means 5 in FIG. 1, and the semiconductor of FIG. This corresponds to a specific implementation of the overall configuration of the chip temperature estimation device 6.
  • the semiconductor chip temperature rise estimation unit 4 has substantially the same configuration as the temperature rise estimation unit 210a in FIG. 8, and includes a semiconductor chip loss calculation unit 41 and a semiconductor chip temperature rise calculation unit. Similar to the semiconductor chip loss calculation unit 2 of the refrigerant temperature estimation unit 1A, the semiconductor chip loss calculation unit 41 has a function of estimating and calculating the loss of one semiconductor chip, and current detection by the current detector 19 in FIG. The loss of the semiconductor chip is estimated based on information necessary for estimating the loss of the semiconductor chip, such as the value and the carrier frequency from the PWM circuit 8.
  • the semiconductor chip temperature rise calculation unit 42 estimates the temperature rise due to heat generation according to the loss from the semiconductor chip loss estimated value, and outputs it as the semiconductor chip temperature rise estimated value.
  • the semiconductor chip temperature rise estimation unit 4 constitutes the fourth estimation means in the claims
  • the semiconductor chip loss calculation unit 41 constitutes the fifth estimation means
  • the semiconductor chip temperature rise calculation unit 42 6th estimation means is comprised.
  • the semiconductor chip temperature estimation is performed.
  • the value can be determined.
  • the semiconductor chip temperature estimated value is input to the current limit command circuit 7 of FIG. 1 and compared with a set value, so that a current limit operation or the like may be performed as necessary.
  • the refrigerant temperature estimation unit 1A can estimate the refrigerant temperature in real time and with high accuracy without being affected by the heat generation of the semiconductor chip. By adding the estimated value of the refrigerant temperature and the estimated value of the semiconductor chip temperature rise, the semiconductor chip temperature can be estimated with high accuracy, which can be used for overheating protection of the semiconductor chip and the power converter.
  • the refrigerant temperature estimation units 1B to 1D in FIGS. 3 to 5 may be used.
  • the semiconductor chip temperature estimation device can be used for temperature estimation of a semiconductor chip having various semiconductor switching elements such as IGBT, FET, thyristor and the like.
  • the overheat protection device can be used for overheat protection of various power converters such as inverters, converters, and choppers in which the semiconductor chip is mounted as a semiconductor module.
  • cooling element temperature estimation unit 1A, 1B, 1C, 1D refrigerant temperature estimation unit 2,2C 1, 2C 2: semiconductor chip loss calculation unit 3A, 3B, 3C 1, 3C 2, 3D: correlation storing section 4: Semiconductor chip temperature rise estimation unit 5, 22, 23: addition / subtraction means 6: semiconductor chip temperature estimation device 7: current limit command circuit 8: PWM circuit 9: gate drive circuit 10: smoothing capacitors 11 to 16: semiconductor chip 17: thermistor 18: Semiconductor module 19: Current detector 20: Motor 21: Heat sink 41: Semiconductor chip loss calculator 42: Semiconductor chip temperature rise calculator

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Abstract

　半導体モジュールにサーミスタと共に内蔵された半導体チップの温度を推定する半導体チップ温度推定装置において、半導体チップ内の半導体スイッチング素子の電流及びスイッチング周波数等を用いて、演算により半導体チップの損失を推定する損失計算部２と、サーミスタによる温度検出値と半導体モジュールを冷却する冷媒等の冷却要素の温度との差である温度上昇分と、半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶部３Ａと、損失計算部２から出力される半導体チップ損失推定値と前記相関関係とを用いて、演算によりサーミスタの温度上昇分を推定する手段と、サーミスタ温度上昇分推定値をその温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定する加減算手段２２と、を備え、冷却要素温度推定値を基礎温度として半導体チップの温度を推定する。これにより、冷却要素温度を検出するサーミスタを不要にし、電力変換器の小型化、低コスト化を図る。

Description

半導体チップ温度推定装置及び過熱保護装置
　本発明は、例えば、半導体モジュールを構成する半導体チップの温度推定装置、及び、この温度推定装置を用いて電力変換器を過熱事故から保護するための過熱保護装置に関するものである。
　半導体モジュールが搭載された電力変換器において、半導体モジュールを構成する半導体チップの温度を推定し、推定した温度が許容温度を超えて破壊に至るまでに半導体チップに流れる電流を制限して半導体チップや電力変換器の過熱保護を実現する方法がある。このような半導体チップの温度を推定する従来技術が、特許文献１や特許文献２に開示されている。
　図７は、特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。
　図７において、１０１は三相交流電源（図示せず）に接続された整流回路、１０２は平滑コンデンサ、１０３は、インバータ１０４及びサーミスタ１０５が設置されたヒートシンク、１０６はインバータ１０４により駆動されるモータである。また、２００はインバータ１０４の半導体スイッチング素子を制御する制御装置、２０１，２０２は第１，第２の設定温度、２０３は電流検出器、２０４，２０５はコンパレータ、２０６は電流遮断機能、２０７は電流制限機能、２０８はＰＷＭ制御部、２０９は温度検出部、２１０はＴｊ（ジャンクション温度）推定部である。
　この従来技術では、サーミスタ１０５及び温度検出部２０９により得たヒートシンク１０３の温度検出値、電流検出器２０３によるモータ１０６の電流検出値、及びＰＷＭ制御部２０８によるドライブ信号（キャリア周波数）がＴｊ推定部２１０に入力される。Ｔｊ推定部２１０では、電流検出値とドライブ信号とに基づいて導通損失及びスイッチング損失に応じた温度上昇分を求め、この温度上昇分をヒートシンク１０３の温度検出値に加算して半導体スイッチング素子のジャンクション温度（半導体チップ温度）を推定している。
　そして、推定した半導体チップ温度が第１の設定温度２０１を超えたら、電流制限機能２０７によりインバータ１０４の電流を制限し、半導体チップ温度が第１の設定温度２０１より高い第２の設定温度２０２を超えたら、電流遮断機能２０６によりインバータ１０４の電流を遮断して過熱保護を実現している。
　なお、特許文献２には、同期電動機がストール状態になった時に、半導体チップ温度推定値が許容値を超えないようにインバータの出力電流を制限するようにした電力変換器の制御装置が開示されている。
　特許文献１，２に記載された従来技術では、サーミスタ等の温度センサによる温度検出値を、半導体チップを冷却するための冷却体または冷媒の温度検出値とみなし、この温度検出値に、半導体チップの損失に起因した温度上昇分を加算することによって半導体チップの温度を推定している。
　例えば図８は、図７のＴｊ推定部２１０における半導体チップの温度推定機能を示す概念図であり、２１０ａは温度上昇推定手段、２１０ｂは加減算手段、２１０ｃは半導体チップ損失計算部、２１０ｄは半導体チップ温度上昇分計算部である。図示するように、Ｔｊ推定部２１０では、半導体チップの損失に起因した温度上昇分推定値とサーミスタ１０５による温度検出値との加算値を、半導体チップの温度推定値として出力する。
特許第３０７５３０３号公報（段落［０００６］、図１等） 特開２００５-１２４３８７号公報（段落［００２１］～［００３０］、図１等）
　前述したように、特許文献１，２では、半導体チップ温度を推定する基準温度となる冷却体温度や冷媒温度を検出することが前提であり、そのためにサーミスタ等の温度センサを冷却体に設置する必要がある。
　このため、上記温度センサによって部品点数が増加し、電力変換器のコスト増加や大型化を招くという問題があった。
　上記問題に対して、複数の半導体チップからなる半導体モジュールにサーミスタを内蔵することにより、冷却体等に別途、サーミスタを設置せずに、半導体モジュール内蔵のサーミスタによって冷却体等の温度を推定する方法がある。しかし、この方法によると、サーミスタ近傍の半導体チップの発熱の影響により、サーミスタが冷却体等の温度を正確に推定できない場合がある。
　また、半導体モジュールに内蔵したサーミスタによって半導体チップの温度を推定し、過熱保護を行う方法もある。しかしながら、この方法では、サーミスタから遠い位置にある半導体チップが発熱してサーミスタ近傍の半導体チップが殆ど発熱しない状態において、サーミスタは遠い位置にある半導体チップの発熱の影響を殆ど受けないため、過熱保護を有効に行なえないという問題があった。
　そこで、本発明の解決課題は、サーミスタ等の温度センサ近傍の半導体チップが発熱した場合でも、半導体チップ温度を推定する基礎温度となる冷却体や冷媒（以下、これらを総称して「冷却要素」ともいう）の温度を正確に推定することにより、冷却要素の温度を検出する温度センサを不要にして電力変換器のコストの低減及び小型化を図った半導体チップ温度推定装置を提供することにある。また、本発明の別の解決課題は、半導体チップ温度推定値に基づく電流制限動作により、半導体チップや電力変換器を過熱事故から保護するようにした過熱保護装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の半導体チップ温度推定装置は、半導体モジュールにサーミスタ等の温度センサと共に内蔵された半導体チップの温度を推定する半導体チップ温度推定装置に関するものである。
　まず、請求項１に係る半導体チップ温度推定装置は、半導体チップ内の半導体スイッチング素子の電流及びスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により半導体チップの損失を推定する第１の推定手段と、
　温度センサによる温度検出値と半導体モジュールを冷却するための冷媒や冷却体等の冷却要素の温度との差である温度上昇分と、半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶手段と、
　第１の推定手段から出力される半導体チップの損失推定値と前記相関関係とを用いて、温度センサの温度上昇分を推定する第２の推定手段と、
　第２の推定手段から出力される温度センサの温度上昇分推定値を、温度センサによる温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定する第３の推定手段と、を備え、
　第３の推定手段から出力される冷却要素温度の推定値を基礎温度として、半導体チップの温度を推定するものである。
　請求項２に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における前記相関関係が、温度センサの温度上昇分と半導体チップの損失との関係を１次遅れ要素により近似したものであることを特徴とする。
　請求項３に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における第１の推定手段、記憶手段、及び第２の推定手段を、複数の半導体チップに対応させてそれぞれ設け、第３の推定手段は、複数の第２の推定手段から出力される温度上昇分推定値の合計値を、温度センサによる温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定するものである。
　請求項４に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における前記相関関係が、温度センサの温度上昇分と半導体チップの損失との関係を複数の１次遅れ要素の和により近似したものであることを特徴とする。
　請求項５に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、半導体チップの温度上昇分を演算により推定する第４の推定手段を設け、この第４の推定手段から出力される半導体チップ温度上昇分推定値と第３の推定手段から出力される冷却要素温度推定値とを加算して半導体チップの温度推定値を求めるものである。
　請求項６に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項５における第４の推定手段が、半導体チップ内の半導体スイッチング素子の電流及びスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により半導体チップの損失を推定する第５の推定手段と、この第５の推定手段から出力される半導体チップの損失推定値を用いて、演算により半導体チップの温度上昇分を推定する第６の推定手段と、を備えたものである。
　請求項７に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、前記冷却要素が、前記半導体モジュールを冷却する冷媒であることを特徴とする。
　請求項８に係る過熱保護装置は、請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定値から出力される半導体チップの温度推定値が設定値を超えた時に、半導体チップ内の半導体スイッチング素子の動作を制御して半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する手段を備えたものである。
　本発明によれば、サーミスタ等の温度センサを冷媒や冷却体等の冷却要素に別途、設置することなく冷却要素温度を推定することができる。このため、部品点数を削減して電力変換器の小型化、低コスト化を達成することができる。
　また、温度センサが近傍の半導体チップの発熱の影響を受けたとしても、所定の相関関係に基づく温度上昇分を温度センサによる温度検出値から差し引くことで、冷却要素温度を高精度に推定することができる。
　上記のように、本発明では冷却要素温度推定値の信頼性が高いため、この冷却要素温度推定値を基礎温度とした半導体チップ温度推定値の信頼性も高くなり、半導体チップや電力変換器の過熱保護を安全かつ確実に行うことができる。
本発明の実施形態が適用される電力変換装置のブロック図である。 実施形態における半導体チップ温度推定装置の第１実施例の主要部を示すブロック図である。 実施形態における半導体チップ温度推定装置の第２実施例の主要部を示すブロック図である。 実施形態における半導体チップ温度推定装置の第３実施例の主要部を示すブロック図である。 実施形態における半導体チップ温度推定装置の第４実施例の主要部を示すブロック図である。 実施形態における半導体チップ温度推定装置の第５実施例を示すブロック図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図７のＴｊ推定部における半導体チップの温度推定機能を示す概念図である。
　以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
　まず、図１は、本発明の実施形態が適用される電力変換装置のブロック図である。この電力変換装置は、三相インバータからなる電力変換器によりモータを駆動する主回路と、前記インバータの制御装置とによって構成されている。
　図１の主回路において、１０は直流電圧が印加される平滑コンデンサ、１１～１６はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子及び還流ダイオードからなる半導体チップ、１７は温度センサとしてのサーミスタ、１８は半導体モジュール、１９は電流検出器、２０はインバータの負荷であるモータ、２１は半導体チップ１１～１６を冷却するヒートシンクである。
　なお、半導体スイッチング素子の種類や個数、電力変換器の種類や相数は特に限定されるものではない。
　一方、制御装置は、サーミスタ１７からの温度検出値と、電流検出器１９によるモータ２０の電流検出値と、後述するＰＷＭ回路８からのキャリア周波数とが入力される本実施形態の半導体チップ温度推定装置６を有する。半導体チップ温度推定装置６は、冷却要素温度推定部１と、半導体チップ温度上昇分推定部４と、両者の出力を加算する加減算手段５とを備えており、この半導体チップ温度推定装置６から出力される半導体チップ温度推定値は、電流制限指令回路７に入力されている。
　電流制限指令回路７は、半導体チップ温度推定値が設定値を超えた場合に、半導体スイッチング素子を流れる電流（インバータの出力電流）を制限するための電流制限指令を生成する。ここで、電流制限指令には、電流をゼロに制限する（半導体スイッチング素子をオフさせる）指令も含む。
　上記電流制限指令は、ＰＷＭ回路８に入力される。このＰＷＭ回路８は、図示されていない制御回路からの電圧指令に基づきＰＷＭ信号を生成して後続のゲート駆動回路９に出力する。ゲート駆動回路９は、ゲート信号を生成して半導体チップ１１～１６内の半導体スイッチング素子をオンオフさせることにより、半導体チップ１１～１６からなるインバータの直流／交流変換動作によってモータ２０に三相交流電力を供給する。
　次に、この実施形態に係る半導体チップ温度推定装置６の実施例を、図２～図６に従って説明する。
　なお、以下の実施例では、図１の半導体モジュール１８を冷却する冷却要素がヒートシンク２１を強制冷却する水などの冷媒であるものとし、図１における冷却要素温度推定部１を冷媒温度推定部１Ｂ～１Ｄとして具体化してある。ここで、冷却要素としては、冷媒以外に冷却フィン等の冷却体を用いても良く、その場合には冷却要素温度として冷却体温度を推定することになる。
　まず、図２は、半導体チップ温度推定装置６の第１実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ａを示すブロック図である。
　図２において、冷媒温度推定部１Ａは、半導体チップ損失計算部２と、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係が記憶された相関関係記憶部３Ａと、相関関係記憶部３Ａの出力とサーミスタ温度検出値とを図示の符号で加減算する加減算手段２２と、を備えている。この冷媒温度推定部１Ａは、ＣＰＵ及びメモリ等のハードウェアと所定の演算を実行するソフトウェアとによって構成されており、この点は、後述の冷媒温度推定部１Ｂ～１Ｄ及び半導体チップ温度上昇分推定部４についても同様である。
　なお、半導体チップ損失計算部２は請求項における第１の推定手段を構成し、相関関係記憶部３Ａは請求項における記憶手段及び第２の推定手段を構成し、加減算手段２２は請求項における第３の推定手段を構成している。
　半導体チップ損失計算部２は、１個の半導体チップの損失を推定演算する機能を有し、電流検出器１９による電流検出値やＰＷＭ回路８からのキャリア周波数（スイッチング周波数）等の、半導体チップの損失推定に必要な情報が入力されている。なお、半導体チップ損失計算部２には、上述した電流検出値やキャリア周波数の他にスイッチング素子や還流ダイオードの特性等を入力し、これらを用いてスイッチング素子や還流ダイオードの各々について推定演算した導通損失とスイッチング損失との合計値を、半導体チップ損失推定値として出力することが望ましい。
　図２の相関関係記憶部３Ａには、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係が予め記憶されている。
　ここで、サーミスタ温度上昇分（＝サーミスタ温度検出値－冷媒温度）とは、冷媒温度を基準温度とした、半導体チップの発熱によるサーミスタ１７の温度検出値であり、予め測定可能である。なお、冷媒温度は一定とする。
　また、半導体チップ損失に起因する発熱とサーミスタ温度検出値との関係も予め測定可能であるから、半導体チップ損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を予め求めて相関関係記憶部３Ａに記憶しておくことができる。
　このようにして相関関係記憶部３Ａに記憶された相関関係を用いることにより、半導体チップ損失推定値２からサーミスタ温度上昇分を推定し、そのサーミスタ温度上昇分推定値を加減算手段２２に入力する。
　一方、半導体モジュール１８に内蔵されたサーミスタ１７による温度検出値も、加減算手段２２に入力されている。加減算手段２２では、このサーミスタ温度検出値（前述のごとく、サーミスタ温度検出値＝サーミスタ温度上昇分＋冷媒温度）から前記サーミスタ温度上昇分推定値を差し引くことにより、冷媒温度を推定することができる。
　なお、この冷媒温度推定値と、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４の出力（半導体チップ温度上昇分推定値）とを加減算手段５により加算すれば、半導体チップ温度推定値を求めることができる。電流制限指令回路７は、この半導体チップ温度推定値が設定値を超えたときに電流制限指令を出力し、ＰＷＭ回路８を介して半導体スイッチング素子のオンデューティを変化させたり半導体スイッチング素子をオフさせる等の電流制限動作によって保護動作を行う。
　半導体チップ温度上昇分推定部４の構成は、後述する第５実施例により説明するが、基本的には、図８に示した温度上昇推定手段２１０ａと同一で良い。
　上記のように、第１実施例によれば、サーミスタ内蔵の半導体モジュール１８を用いてその温度検出値を半導体チップの損失推定に必要な情報と共に冷媒温度推定部１Ａに入力することにより、サーミスタを別途、設置することなく冷媒温度を推定することができる。これにより、部品点数を増加させずに過熱保護を行うことができ、電力変換器の低コスト化、小型化が可能になる。
　ここで、図８に示した従来技術では、サーミスタ温度検出値（冷却体または冷媒の温度検出値）を半導体チップ温度推定値の基準温度として用い、この基準温度を加減算手段２１０ｂにて半導体チップ温度上昇分推定値に加算して半導体チップ温度推定値を演算している。
　この場合、冷却体または冷媒の温度を検出するためのサーミスタの近傍に配置された半導体チップが発熱すると、サーミスタは当該半導体チップの発熱の影響を受けるため、冷却体または冷媒の温度を正しく推定することができない。従って、図８のようにサーミスタ温度検出値をそのまま基準温度に用いて半導体チップの温度を推定する場合には、半導体チップ温度の推定誤差が大きくなり、過熱保護を安全、確実に行えない場合が生じる。
　これに対し、本実施例によれば、サーミスタに及ぼす半導体チップの発熱の影響を考慮した相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分を推定しているため、その温度上昇分推定値をサーミスタ温度検出値から差し引くことにより冷媒温度を正確に推定し、結果として半導体チップ温度を高精度に推定することができる。
　次に、図３は、半導体チップ温度推定装置６の第２実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｂのブロック図である。この第２実施例では、相関関係記憶部３Ｂに記憶されるサーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を、具体的に数式１で表されるような１次遅れ要素により近似している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記のような方法とは別に、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係をテーブルデータとして表す方法も挙げられるが、この方法では、サーミスタ温度上昇分における熱時定数Ｔｃの影響を無視せざるを得ず、例えば負荷であるモータ２０の低速回転時や加減速運転時において電流が過渡的に変化する場合のサーミスタ温度上昇分を推定することができない。
　このような観点から、前記相関関係を数式１のような１次遅れ要素によって近似することにより、冷媒温度ひいては半導体チップ温度を正確かつリアルタイムに推定することができる。
　なお、数式１における定常熱抵抗Ｒは、Ｒ≒半導体チップ温度上昇分／半導体チップ損失という関係にあるから、半導体チップ損失推定値から数式１の相関関係Ｒｔｈを介してサーミスタ温度上昇分を推定することは容易である。
　図４は、半導体チップ温度推定装置６の第３実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｃを示すブロック図である。
　この第３実施例では、サーミスタの温度上昇に影響を及ぼす複数個の半導体チップの損失を推定し、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分推定値をそれぞれ求め、これら複数のサーミスタ温度上昇分推定値を加算してサーミスタ温度検出値から差し引くことにより、冷媒温度を推定する。
　図４において、半導体チップ損失計算部２Ｃ１，２Ｃ２は、例えば図１における半導体チップ１１，１２のように２個の半導体チップの損失をそれぞれ推定するものであり、各計算部２Ｃ１，２Ｃ２の機能は図２，図３における半導体チップ損失計算部２と同様である。
　また、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２は、第２実施例のように、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を例えば１次遅れ要素により近似している。但し、一般的に各半導体チップとサーミスタ１７との位置関係によって上記相関関係が異なるので、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２に記憶される相関関係は必ずしも同一ではない。
　第２実施例と同様にしてそれぞれの相関関係を用いて推定したサーミスタ温度上昇分推定値は、加減算手段２３により加算され、その加算値が、後続の加減算手段２２においてサーミスタ温度検出値から差し引かれることにより、冷媒温度推定値が求められる。
　この第２実施例によれば、サーミスタ１７の近傍の半導体チップだけでなく、サーミスタ１７の遠くに配置された半導体チップによる発熱がサーミスタの温度上昇に影響を及ぼす場合においても、これら複数の半導体チップについて個々の損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分を推定することにより、冷媒温度を一層正確に推定し、ひいては半導体チップ温度を高精度に推定することが可能となる。
　なお、図４ではサーミスタ温度上昇に影響を及ぼす半導体チップが２個の場合を示しているが、３個以上の半導体チップについてそれぞれ損失を推定すると共に相関関係を設定し、前記同様にサーミスタ温度上昇分を推定しても良いことは言うまでもない。
　次に、図５は、半導体チップ温度推定装置６の第４実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｄを示すブロック図である。
　この第４実施例では、相関関係記憶部３Ｄに記憶されるサーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を、例えば数式２に示すような複数の１次遅れ要素の和によって近似している。なお、この数式２は、数式１に示した１次遅れ要素をｎ個合計したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この第４実施例によれば、第２実施例のように単一の１次遅れ要素では厳密には近似できない相関関係であっても、複数の１次遅れ要素を組み合わせることで実際の相関関係に近づけて模擬することができ、より高精度に冷媒温度を推定することが可能になる。
　更に、図６は、半導体チップ温度推定装置６の第５実施例を示すブロック図である。
　この第５実施例は、図２の第１実施例に示した冷媒温度推定部１Ａと、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４及び加減算手段５と、を備えており、図１の半導体チップ温度推定装置６の全体的な構成を具体化したものに相当する。
　ここで、冷媒温度推定部１Ａの構成、機能は第１実施例と同一である。
　半導体チップ温度上昇分推定部４は、図８における温度上昇推定手段２１０ａと実質的に同様の構成であり、半導体チップ損失計算部４１と半導体チップ温度上昇分計算部４２とを備えている。
　半導体チップ損失計算部４１は、冷媒温度推定部１Ａの半導体チップ損失計算部２と同様に、１個の半導体チップの損失を推定演算する機能を有し、図１の電流検出器１９による電流検出値やＰＷＭ回路８からのキャリア周波数等の、半導体チップの損失推定に必要な情報に基づいて半導体チップの損失を推定する。半導体チップ温度上昇分計算部４２は、半導体チップ損失推定値から、その損失に応じた発熱による温度上昇分を推定し、半導体チップ温度上昇分推定値として出力する。
　上記構成において、半導体チップ温度上昇分推定部４は請求項における第４の推定手段を構成し、半導体チップ損失計算部４１は第５の推定手段を構成し、半導体チップ温度上昇分計算部４２は第６の推定手段を構成している。
　そして、冷媒温度推定部１Ａから出力される冷媒温度推定値と半導体チップ温度上昇分推定部４から出力される半導体チップ温度上昇分推定値とを加減算手段５にて加算すれば、半導体チップ温度推定値を求めることができる。この半導体チップ温度推定値を図１の電流制限指令回路７に入力して設定値と比較することにより、必要に応じて電流制限動作等を行えば良い。
　この第５実施例においても、サーミスタ１７の近傍の半導体チップが発熱した場合に冷媒温度推定部１Ａが上記半導体チップの発熱に影響されることなくリアルタイムかつ高精度に冷媒温度を推定することができ、この冷媒温度推定値と半導体チップ温度上昇分推定値とを加算することによって半導体チップ温度を高精度に推定し、半導体チップや電力変換器の過熱保護に役立てることができる。
　なお、図６における冷媒温度推定部１Ａの代わりに、図３～図５（第２～第４実施例）における冷媒温度推定部１Ｂ～１Ｄを用いても良い。
　本発明に係る半導体チップ温度推定装置は、ＩＧＢＴ，ＦＥＴ，サイリスタ等、各種の半導体スイッチング素子を有する半導体チップの温度推定に利用可能である。また、本発明に係る過熱保護装置は、上記半導体チップを半導体モジュールとして搭載したインバータ、コンバータ、チョッパ等の各種の電力変換器の過熱保護に利用することができる。
１：冷却要素温度推定部
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：冷媒温度推定部
２，２Ｃ１，２Ｃ２：半導体チップ損失計算部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｄ：相関関係記憶部
４：半導体チップ温度上昇分推定部
５，２２，２３：加減算手段
６：半導体チップ温度推定装置
７：電流制限指令回路
８：ＰＷＭ回路
９：ゲート駆動回路
１０：平滑コンデンサ
１１～１６：半導体チップ
１７：サーミスタ
１８：半導体モジュール
１９：電流検出器
２０：モータ
２１：ヒートシンク
４１：半導体チップ損失計算部
４２：半導体チップ温度上昇分計算部

Claims (8)

  1. 　半導体モジュールに温度センサと共に内蔵された半導体チップの温度を推定する半導体チップ温度推定装置において、
    　前記半導体チップ内の半導体スイッチング素子の電流及びスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により前記半導体チップの損失を推定する第１の推定手段と、
    　前記温度センサによる温度検出値と前記半導体モジュールを冷却する冷却要素の温度である冷却要素温度との差である温度上昇分と、前記半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶手段と、
    　前記第１の推定手段から出力される前記半導体チップの損失推定値と前記相関関係とを用いて、演算により前記温度センサの温度上昇分を推定する第２の推定手段と、
    　前記第２の推定手段から出力される前記温度センサの温度上昇分推定値を、前記温度センサによる温度検出値から差し引いて前記冷却要素温度を推定する第３の推定手段と、
    　を備え、
    　前記第３の推定手段から出力される前記冷却要素温度の推定値を基礎温度として、前記半導体チップの温度を推定することを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  2. 　請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記記憶手段に記憶される相関関係が、前記温度センサの温度上昇分と前記半導体チップの損失との関係を１次遅れ要素により近似したものであることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  3. 　請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記第１の推定手段、前記記憶手段、及び前記第２の推定手段を、複数の半導体チップに対応させてそれぞれ設け、前記第３の推定手段は、複数の前記第２の推定手段から出力される前記温度センサの温度上昇分推定値の合計値を、前記温度センサによる温度検出値から差し引いて前記冷却要素温度を推定することを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  4. 　請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記記憶手段に記憶される相関関係が、前記温度センサの温度上昇分と前記半導体チップの損失との関係を複数の１次遅れ要素の和により近似したものであることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  5. 　請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記半導体チップの温度上昇分を演算により推定する第４の推定手段を設け、この第４の推定手段から出力される半導体チップ温度上昇分推定値と前記第３の推定手段から出力される冷却要素温度推定値とを加算して前記半導体チップの温度推定値を求めることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  6. 　請求項５に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記第４の推定手段は、
    　前記半導体チップ内の半導体スイッチング素子の電流及びスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により前記半導体チップの損失を推定する第５の推定手段と、
    　前記第５の推定手段から出力される前記半導体チップの損失推定値を用いて、演算により前記半導体チップの温度上昇分を推定する第６の推定手段と、
    　を備えたことを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  7. 　請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、
    　前記冷却要素が、前記半導体モジュールを冷却する冷媒であることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。
  8. 　請求項１～４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定値から出力される前記半導体チップの温度推定値が設定値を超えた時に、前記半導体スイッチング素子の動作を制御して前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する手段を備えたことを特徴とする過熱保護装置。
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