WO2018190063A1 - 温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

対象物の温度の検出精度をさらに向上させるとともに、より柔軟に温度検出を可能にする。温度センサから入力される温度信号をもとに当該温度信号に対応する電気信号を出力する温度検出装置であって、前記温度信号の変化量に対する出力の変化量である温度傾斜を所定の温度閾値で変更する。この温度検出装置１は、異なる二以上の温度傾斜で前記温度信号に対する出力をそれぞれ演算する出力演算部２と、前記温度閾値をもとに前記出力演算部から出力された二以上の出力のうち一の出力を選択する出力選択部（マルチプレクサ）３と、を備える。

Description

温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置

　本発明は、温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置に関し、より具体的には、電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度を直接的あるいは間接的に検出する温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置に関する。

　検出対称物やその用途に応じて、温度の変化量に対する出力電圧の変化量を変更可能にする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

　この種の温度検出は、パワー半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置においても重要である。この種の温度検出を行うための回路構成の一例を、図９に示す。図示する温度検出装置は、特に、電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度を検出するものである。図示するように、この温度検出装置は、定電圧電源Ｖｃｃと、この定電圧電源Ｖｃｃに接続された定電流源Ｉｄと、この定電流源Ｉｄに直列に接続され、温度センサとして機能するダイオードＤと、非反転入力端が基準電圧源Ｖｒｅｆに接続され、反転入力端が抵抗器Ｒａを介してダイオードＤに接続されるとともに、抵抗器Ｒｂを介して閉ループを形成するオペアンプＡｍｐと、を備える。

　この温度検出装置において、ダイオードＤからの電圧信号Ｖｆは、パワー半導体スイッチング素子の温度（動作ジャンクション温度）を表すものであり、負の温度係数を有し、オペアンプＡｍｐの反転入力端に抵抗器Ｒａを介して入力される。オペアンプＡｍｐは、この電圧信号Ｖｆに反転増幅を行い、得られた出力電圧Ｖｏｕｔをマイコン等に入力し、このマイコン等が、パワー半導体スイッチング素子の温度を検出する。ここで、抵抗器Ｒａ，Ｒｂの抵抗値、基準電圧源Ｖｒｅｆおよび電圧信号Ｖｆの電圧値をそれぞれ同一符合Ｒａ,Ｒｂ，Ｖｒｅｆ，Ｖｆを用いて表すと、この出力電圧Ｖｏｕｔは、
　Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ＋Ｒｂ／Ｒａ×（Ｖｒｅｆ－Ｖｆ）の電圧値となる。

特開２０１２－２０８０５１号公報

　出力電圧Ｖｏｕｔはマイコン等のデジタルＩＣで電圧検出の対象となるため、一般に、温度センサの検出温度、すなわち、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊが－４０から１５０℃の範囲において、デジタルＩＣの電源電圧の範囲である０から５Ｖ、あるいは０から３．３Ｖの範囲で変化する。上述したオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔは、一般的には、図１０に示すように、検出した動作ジャンクション温度Ｔｊに対して線形に変化する。そこで、出力電圧Ｖｏｕｔが０から５Ｖの範囲で、すべての温度範囲において出力電圧Ｖｏｕｔが線形に変化した場合、出力電圧Ｖｏｕｔの検出温度に対する変化量は、２６ｍＶ／℃となる。この変化量に基づき、例えば、出力電圧の精度ΔＶｏｕｔが±０．１０４Ｖに設定された場合、検出温度の精度ΔＴｊは±４℃となる。

　一般に、電力変換装置において、温度検出装置はパワー半導体スイッチング素子の過熱保護の目的で用いられる。そのため、パワー半導体スイッチング素子が高温で動作する高温領域における温度検出、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの精度向上が求められている。出力電圧Ｖｏｕｔの精度の向上については、従来は基準電圧源Ｖｒｅｆのトリミング等が行われているが、上述のような線形の特性では検出精度の向上に限界があった。そこで、更なる検出精度の向上を達成できる技術が求められていた。

　本発明は上記の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、対象物の温度の検出精度をさらに向上させることが可能な温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置を提供することである。

　また、本発明の別の目的は、より柔軟に温度検出が可能な温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置を提供することである。

　上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る温度検出装置は、
　温度センサから入力される温度信号をもとに当該温度信号に対応する電気信号を出力する温度検出装置であって、
　前記温度信号の変化量に対する出力の変化量である温度傾斜を所定の温度閾値で変更することを特徴とする。

　このような構成を採用することで、本発明による温度検出装置によれば、対象物の温度の変化に伴う出力信号の変化量を変更することが可能となる。変化量（温度傾斜）が大きくなるようにすることで、変化が線形な場合と比較して、温度に応じて変化する出力信号がより精度良く温度を表すことになるので、温度検出の精度が向上する。温度検出の精度が向上することで、対象物、例えば電力変換に用いられるパワー半導体スイッチング素子を従来よりも精度良く過熱から保護することが可能となる。

　また、上記の目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る電力変換装置は、
　電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子と、
　上記の温度検出装置であって、前記パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度を検出する温度検出装置と、
を備えたことを特徴とする。

　温度検出の精度が向上した温度検出装置を備えることで、高温動作時における電力変換装置の温度マージンを広くすることができ、出力容量を高めることが可能となる。

　本発明によれば、対象物の温度の検出精度をさらに向上させることが可能となる。また、より柔軟に温度検出が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る、温度検出装置の構成の一例を示す回路図である。 図１における出力演算部の構成の一例を示す図である。 図１に示す温度検出装置の出力特性を示すグラフである。 図１におけるマルチプレクサの構成の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る、温度検出装置の構成の一例を示す回路図である。 図５におけるマルチプレクサの構成の一例を示す図である。 図５に示す温度検出装置の出力特性を示すグラフである。 本発明の温度検出装置を備えた電力変換装置の構成の一例を示す図である。 従来の温度検出装置の構成の一例を示す回路図である。 図９に示す温度検出装置の出力特性を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態に係る温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置について、添付の図面を参照して詳細に説明する。同一または同様の構成については、図中で同一の参照番号を付す。

（第１の実施の形態）
（構成）
　図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る温度検出装置１は、特に、電力変換に用いられるパワー半導体スイッチング素子の温度（動作ジャンクション温度Ｔｊ）を検出するものであり、例えば、低電圧電源Ｖｃｃと、この定電圧電源Ｖｃｃに接続された定電流源Ｉｄと、この定電流源Ｉｄに直列に接続され、温度センサとして機能するダイオードＤと、このダイオードＤならびに定電流源Ｉｄの間に接続された出力演算部２と、出力演算部２からの出力が入力され、この出力を選択的に出力する出力選択部３と、を備える。出力選択部３から選択的に出力された電圧信号Ｖｏｕｔは、例えば、図示しないマイコン等に入力され、このマイコン等が入力された電圧信号Ｖｏｕｔに基づいてパワー半導体スイッチング素子の温度を検出する。本実施の形態の温度検出装置１は、例えば、ディスクリート型のパワー半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ等）の同一チップ内に形成されるものであるが、パワー半導体スイッチング素子の外部、例えばパワー半導体スイッチング素子を駆動するＩＣに形成されるものであってもよい。しかしその場合であっても、パワー半導体スイッチング素子と同一の放熱板や同一のパッケージ内に配置されることが望ましい。また、温度検出装置１は、ダイオードＤの代わりに、例えばサーミスタを用いてもよい。

　定電圧電源Ｖｃｃは、定電流源Ｉｄに所定の電圧を印加する。定電流源Ｉｄは、ダイオードＤに所定の定電流を供給する。ダイオードＤは、例えば、アノード側が定電流源Ｉｄならびに出力演算部２に接続され、カソード側が接地されている。

　出力演算部２には、ダイオードＤからの電圧信号であって、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊに応じた電圧値を有する電圧信号Ｖｆが入力される。この出力演算部２の構成の一例を、図２に示す。図２に示すように、この実施の形態に係る出力演算部２は、演算増幅器（以下、オペアンプと称する）Ａｍｐ１、Ａｍｐ２を備える。

　より詳細には、オペアンプＡｍｐ１は、非反転入力端が基準電圧源Ｖｒｅｆ１に接続され、反転入力端が抵抗器Ｒａ１を介してダイオードＤならびに定電流源Ｉｄに接続される。また、オペアンプＡｍｐ１の出力端と反転入力端とは、抵抗器Ｒｂ１を介して閉ループ、すなわち、負帰還回路を形成する。このような構成の場合、ダイオードＤから出力される電圧信号Ｖｆは、上述のように、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊに応じた電圧値を有し、負の温度係数を有する。この電圧信号Ｖｆは、オペアンプＡｍｐ１に入力されて反転増幅される。反転増幅によって得られた出力電圧Ｖｏ１は、出力選択部３に入力される。オペアンプＡｍｐ２についても、同様であり、反転増幅によって得られた出力電圧Ｖｏ２が、出力選択部３に入力される。なお、基準電圧源Ｖｒｅｆ１と基準電圧源Ｖｒｅｆ２とは、例えば同一の電位であってよい。

　ここで、図示する抵抗器Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２に関し、各抵抗器の抵抗値を同一符合Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２で表したとき、オペアンプＡｍｐ１側の抵抗器Ｒｂ１，Ｒａ１の抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、オペアンプＡｍｐ２側の抵抗器Ｒｂ２，Ｒａ２の抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］とが、異なる値となるように抵抗値が設定、選択される。ここで、出力電圧Ｖｏ１と、Ｖｏ２とは、それぞれ、Ｖｏ１＝Ｖｒｅｆ１＋Ｒｂ１／Ｒａ１×（Ｖｒｅｆ１－Ｖｆ）、Ｖｏ２＝Ｖｒｅｆ２＋Ｒｂ２／Ｒａ２×（Ｖｒｅｆ２－Ｖｆ）で示される。従って、抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］とを異なる値とすることで、オペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１と、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２とは、同一の入力から得られるものであるが、異なる値となる。すなわち、抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］とを適宜選択、設計することで、図３に示すように、ダイオードＤにて検出した動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の変化量を適宜変更、調整することが可能となる。例えば、本実施の形態においては、オペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１の変化量が、比較的小さく、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２の変化量が、比較的急峻となるように設定する。以下、この変化量を、温度傾斜とも称する。

　本実施の形態においては、例えば、オペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１を、パワー半導体スイッチング素子の温度、すなわち動作中のパワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊが比較的低い場合の出力とし、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２を、動作ジャンクション温度Ｔｊが比較的高い場合の出力として採用する。

　図１に戻り、出力選択部３は、例えばマルチプレクサ（以下、理解を容易とするためマルチプレクサ３と称す）であり、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２から入力された出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２のいずれかを選択的に図示しないマイコン等に出力する。このマルチプレクサ３の構成の一例を、図４に示す。

　図４に示すように、マルチプレクサ３は、例えばロジックＩＣを含んで構成され、コンパレータ３１と、ＮＯＴゲート（以下、インバータと称す）３２と、半導体スイッチ（以下、スイッチと称す）ＳＷ１、ＳＷ２と、を備える。

　コンパレータ３１は、一端（例えば、Ｖｉｎ－側）がオペアンプＡｍｐ１の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１が入力される。また、コンパレータ３１は、他端（例えば、Ｖｉｎ＋側）がオペアンプＡｍｐ２の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏｕｔ２が入力される。コンパレータ３１は、入力された二つの電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の大きさを比較し、その大小関係をハイレベル（Ｈレベル）、ローレベル（Ｌレベル）の２値で出力する。例えば、コンパレータ３１は、入力された出力電圧Ｖｏ２が入力された出力電圧Ｖｏ１よりも大きい場合、Ｈレベルの信号を出力する。また、コンパレータ３１は、入力された出力電圧Ｖｏ１が入力された出力電圧Ｖｏ２よりも大きい場合、Ｌレベルの信号を出力する。コンパレータ３１の動作の更なる詳細については、後述して説明する。

　インバータ３２は、入力端がコンパレータ３１の出力端に接続され、出力端がスイッチＳｗ１、Ｓｗ２に接続されている。インバータ３２は、コンパレータ３１からの出力（ＨレベルまたはＬレベル）を反転してスイッチＳｗ１、Ｓｗ２に出力する。

　スイッチＳｗ１、Ｓｗ２は、それぞれ、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴとｐチャネルＭＯＳＦＥＴとを並列に接続したＣＭＯＳスイッチから構成される。スイッチＳｗ１が、例えば、出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも大きい場合に導通し、スイッチＳｗ２が、出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ１よりも大きい場合に導通するように、スイッチＳｗ１における一方のＭＯＳＦＥＴのゲートがコンパレータ３１の出力端に接続され、他方のＭＯＳＦＥＴのゲートがインバータ３２の出力端に接続される。同様に、スイッチＳｗ２における一方のＭＯＳＦＥＴのゲートがインバータ３２の出力端に接続され、他方のＭＯＳＦＥＴのゲートがコンパレータ３１の出力端に接続される。スイッチＳｗ１、Ｓｗ２の導通、非導通動作の切り替えについても、後述して詳細に説明する。

（動作）
　次に、上述した温度検出装置１の動作について、図１乃至４を参照して詳細に説明する。
　温度センサであるダイオードＤの電圧、すなわち、半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊに応じた電圧信号Ｖｆは、負の温度係数を有し、図１及び図２に示すように、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２のそれぞれの反転入力端に抵抗器Ｒａ１、Ｒａ２を介して入力される。

　オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２は、それぞれ、入力された電圧信号に対して反転増幅を行う。従って、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２の出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２とは、反転増幅によって正の値となる。また、上述したように、オペアンプＡｍｐ１側の抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、オペアンプＡｍｐ２側の抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］とが、異なる値となるように抵抗値が選択、設定されているので、検出した動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の変化量は、図３に示すように互いに異なり、ある閾値までは出力電圧Ｖｏ１の方が大きく、この閾値以降は出力電圧Ｖｏ２の方が大きい、という大小関係が成立する。図４に示すように、出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２は、マルチプレクサ３内のコンパレータ３１に入力される。以下、この閾値を適宜温度閾値とも称する。

　コンパレータ３１は、入力された出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の大きさを比較する。出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも大きい場合、コンパレータ３１は、Ｌレベルの信号を出力する。このＬレベルの信号は、スイッチＳｗ１の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられ、スイッチＳｗ２の他方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられる。また、このＬレベルの信号は、インバータ３２に入力される。

　インバータ３２は、入力されたＬレベルの信号を反転し、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、スイッチＳｗ１の他方のＭＯＳＦＥＴのゲート及びスイッチＳｗ２の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられる。

　この場合、スイッチＳｗ１のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートには、Ｌレベルの信号が与えられ、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートにはＨレベルの信号（論理においては反転なしの１の値）が与えられるので、スイッチＳｗ１が導通する。一方、スイッチＳｗ２のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートには、Ｈレベルの信号が与えられ、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートにはＬレベルの信号が与えられるので、スイッチＳｗ２は非導通状態を維持する。従って、オペアンプＡｍｐ１と図示しないマイコン等との間が導通し、このマイコン等には、パワー半導体スイッチング素子のジャンクション温度Ｔｊが比較的低い場合に対応するＶｏ１が入力される。

　また、図３に示すように、出力電圧Ｖｏ１と出力電圧Ｖｏ２とは、動作ジャンクション温度Ｔｊが上昇するにつれてある閾値において交差し、以降は出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ１よりも大きくなる。この場合、マルチプレクサ３内のコンパレータ３１は、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、スイッチＳｗ１の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられ、スイッチＳｗ２の他方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられる。また、このＨレベルの信号は、インバータ３２に入力される。

　インバータ３２は、入力されたＨレベルの信号を反転し、Ｌレベルの信号を出力する。このＬレベルの信号は、スイッチＳｗ１の他方のＭＯＳＦＥＴのゲート及びスイッチＳｗ２の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられる。

　この場合、スイッチＳｗ１のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートには、Ｈレベルの信号が与えられ、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートにはＬレベルの信号が与えられるので、スイッチＳｗ１は非導通状態を維持する。一方、スイッチＳｗ２のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートには、Ｌレベルの信号が与えられ、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートにはＨレベルの信号が与えられるので、スイッチＳｗ２は導通する。従って、オペアンプＡｍｐ２と図示しないマイコン等との間が導通し、このマイコン等には、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊが比較的高い場合に対応するＶｏ２が入力される。

（作用及び効果）
　以上説明したように、本発明の温度検出装置１によれば、温度センサであるダイオードＤの電圧を、それぞれ異なる変化量となる出力を有するように抵抗値の比が選択されたオペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２で反転増幅を行う。オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２の出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２は、それぞれ、オペアンプＡｍｐ１側の抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、オペアンプＡｍｐ２側の抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］とを適宜選択することで、ダイオードＤにて検出した動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う変化量が異なる。そして、出力電圧Ｖｏ１と、出力電圧Ｖｏ２とは、ある温度閾値において交差する。この温度閾値を基準として、低温領域では変化量（温度傾斜）が比較的小さいオペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１を図示しないマイコン等に入力し、温度閾値における出力電圧Ｖｏｕｔの連続性を維持しながら、高温領域では変化量（温度傾斜）が比較的急峻なオペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２をマイコン等に入力するようにした。

　これにより、温度検出装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの動作ジャンクション温度Ｔｊに対する変化量を増加させることが可能となり、高温領域における温度での出力電圧Ｖｏｕｔの精度の向上を図ることができる。ひいては、パワー半導体スイッチング素子の過熱保護に適切な温度検出能を得ることができる。

　本発明の温度検出装置１によれば、温度検出装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの、動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う変化量（温度傾斜）が単一の場合における測定精度による限界を超えて過熱保護のための温度検出精度の向上が達成できるため、電力変換装置においてパワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊのマージンを拡大させる効果が期待できる。

　例えば、従来の温度検出装置において、その出力電圧の温度に対する変化量が２６ｍＶ／℃、出力電圧の精度ΔＶｏｕｔが±０．１０４Ｖの測定精度の場合、検出温度の精度ΔＴｊは±４℃である。この場合、最適な過熱保護動作点を設定したとしても、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊの定格値が例えば１５０℃の場合には、動作ジャンクション温度の上限値は１４２℃（＝１５０℃－ΔＴｊ×２）となり、プリント基板の温度上限が１００℃の場合、動作ジャンクション温度ＴｊのマージンはΔＴ＝４２℃となる。

　一方、本発明の温度検出装置１では、例えば、高温領域における出力電圧Ｖｏｕｔの動作ジャンクション温度Ｔｊに対する変化量を５２ｍＶ／℃に選択した場合、検出温度の精度ΔＴｊは±２℃に半減する。そのため、動作ジャンクション温度の上限を１４６℃に拡大できる。この場合、動作ジャンクション温度のマージンをΔＴ＝±４６℃に拡大できる。これは、従来の温度検出装置を用いた場合と比較して、動作ジャンクション温度のマージンが約１０パーセント拡大されているので、電力変換装置においても、出力電力容量を約１０％拡大できる可能性をもたらすものである。

　また、ダイオードＤ（温度センサ）に接続されたオペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２の出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の、動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う変化量、すなわち、動作ジャンクション温度Ｔｊに応じた出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２が交差する温度閾値は、各オペアンプの帰還抵抗器と入力抵抗器の抵抗値の比を適宜選択することで柔軟に動作ジャンクション温度Ｔｊに対して低温または高温側にシフトさせることができる。そのため、実際の用途に応じて適切に低温領域、高温領域を設定することが可能となり、パワー半導体スイッチング素子を過熱からさらに適切に保護することができる。

　このような効果は、対象物の温度検出の精度をさらに向上させることが可能であり、より柔軟に温度検出が可能な本発明の温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置によって達成できるものである。

（第２の実施の形態）
　第１の実施の形態では、ある温度閾値を境界として、温度領域をシンプルに低温領域、高温領域と設定した。しかし、例えば、温度検出対象の半導体スイッチング素子が用いられる三相交流インバータの負荷が、エアコンのコンプレッサ用のモータである場合、半導体スイッチング素子のジャンクション温度が低いとき、エアコンは運転を開始した直後であることが多く、モータの潤滑油の温度が比較的低く、モータに高負荷がかかる場合がある。モータの寿命という観点からは、できる限りモータに高負荷をかけないことが望ましい。このような場合において、単純に第１の実施の形態を適用すると、モータに高負荷がかかることを回避できない場合が考えられる。そこで、このような場合には、オペアンプの出力が交差する温度閾値の数を変更し、温度領域をより区分化し、それによってより柔軟に温度検出が行えるようにするとよい。

　以下、本発明の第２の実施の形態について、図５乃至７を参照して詳細に説明する。なお、第１の実施の形態と同一または同様の構成については、同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

　図５に示すように、第２の実施の形態においては、例えば、出力演算部２は、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２に加え、オペアンプＡｍｐ３をさらに備える。
　オペアンプＡｍｐ３は、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２と同様に、非反転入力端が基準電圧源Ｖｒｅｆ３に接続され、反転入力端が抵抗器Ｒａ３を介してダイオードＤならびに定電流源Ｉｄに接続される。また、オペアンプＡｍｐ３の出力端と反転入力端とは、抵抗器Ｒｂ３を介して閉ループ、すなわち、負帰還回路を形成する。ダイオードＤから出力される電圧信号Ｖｆは、上述のように、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度Ｔｊに応じた電圧値を有し、負の温度係数を有する。この電圧信号Ｖｆは、オペアンプＡｍｐ３に入力されて反転増幅される。反転増幅によって得られた出力電圧Ｖｏ３は、オペアンプＡｍｐ１、Ａｍｐ２の出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２と同様に、マルチプレクサ３に入力される。ここで、抵抗器Ｒａ３，Ｒｂ３の抵抗値、基準電圧源Ｖｒｅｆ３および電圧信号Ｖｆの電圧値をそれぞれ同一符合Ｒａ３,Ｒｂ３，Ｖｒｅｆ３，Ｖｆを用いて表すと、オペアンプＡｍｐ３の出力電圧Ｖｏ３についても、Ｖｏ３＝Ｖｒｅｆ３＋Ｒｂ３／Ｒａ３×（Ｖｒｅｆ３－Ｖｆ）で示すことができる。なお、基準電圧源Ｖｒｅｆ３は、例えば、基準電圧源Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２と同電位であってよい。

　ここで、図示する抵抗器Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２、並びにＲａ３、Ｒｂ３に関し、各抵抗器の抵抗値をそれぞれ同一符合Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２、並びにＲａ３、Ｒｂ３で表したとき、オペアンプＡｍｐ１側の抵抗器Ｒｂ１，Ｒａ１の抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、オペアンプＡｍｐ２側の抵抗器Ｒｂ２，Ｒａ２の抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］と、さらにオペアンプＡｍｐ３側の抵抗器Ｒｂ３，Ｒａ３の抵抗値の比［Ｒｂ３／Ｒａ３］とが、第１の実施の形態と同様にそれぞれ異なる値となるように抵抗値が設定、選択される。すなわち、抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］と、抵抗値の比［Ｒｂ２／Ｒａ２］と、さらに抵抗値の比［Ｒｂ３／Ｒａ３］とを適宜選択、設計することで、図６に示すように、ダイオードＤにて検出した動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に伴う出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２ならびにＶｏ３の変化量を、温度に応じた変化量に適宜変更、調整することが可能となる。例えば、本実施の形態においては、動作ジャンクション温度Ｔｊの領域を、各出力電圧が交差する複数の温度閾値をそれぞれの境界として、低温領域、中温領域、及び高温領域に区分化している。

　高温領域は、例えば、パワー半導体スイッチング素子の過熱保護を目的として設定される温度領域であり、本実施の形態では、出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも大きく、また出力電圧Ｖｏ３が出力電圧Ｖｏ２よりも大きくなるように、各オペアンプの帰還抵抗器と入力抵抗器の抵抗値の比を適宜設定、選択する。

　また、低温領域は、例えば、コンプレッサ用のモータが低温起動時に高負荷が加わることを防止することを目的として設定される温度領域であり、本実施の形態では、出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ１よりも大きく、また出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ３よりも大きくなるように、各抵抗値の比を適宜設定、選択する。なお、低温領域での温度検出については、あらかじめその旨を図示しない外部インターフェイス等から、マルチプレクサ３の接続先であるマイコン等に報知するような構成とするとよい。

　さらに、中温領域は、例えば低温領域での動作から高温領域への動作への遷移を円滑にするような領域であり、高温領域と比較して、パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度の検出精度が求められない領域である。換言すると、本実施の形態では、中温領域よりも検出精度が求められる高温領域においてマルチプレクサ３からの出力電圧Ｖｏｕｔの変化量がより大きくなるように設定して温度の変化に伴う出力電圧Ｖｏｕｔの変化量を大きくし、ひいては、高温領域での検出精度の向上を図っている。本実施の形態では、出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも大きく、また、出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ３よりも大きくなるように、各抵抗値の比を適宜設定、選択する。

　次に、本実施の形態におけるマルチプレクサ３の構成について、説明する。図５に示すマルチプレクサ３は、図７に示すように、例えば、コンパレータ３１、スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、インバータ３２に加え、コンパレータ３３と、ＡＮＤゲート３４乃至３６と、インバータ３７，３８と、スイッチＳｗ３と、をさらに備える。

　第１の実施の形態と異なり、コンパレータ３１の一端（例えば、Ｖｉｎ－側）がオペアンプＡｍｐ２の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２が入力される。また、コンパレータ３１の他端（例えば、Ｖｉｎ＋側）がオペアンプＡｍｐ１の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ１の出力電圧Ｖｏ１が入力される。コンパレータ３１は、第１の実施の形態と異なり、出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも大きい場合にＨレベルの信号を出力し、出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ１よりも大きい場合、Ｌレベルの信号を出力する。
　同様に、コンパレータ３３は、一端（例えば、Ｖｉｎ－側）がオペアンプＡｍｐ３の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ３の出力電圧Ｖｏ３が入力される。また、コンパレータ３３は、他端（例えば、Ｖｉｎ＋側）がオペアンプＡｍｐ２の出力端に接続され、オペアンプＡｍｐ２の出力電圧Ｖｏ２が入力される。コンパレータ３３は、例えば、出力電圧Ｖｏ２が出力電圧Ｖｏ３よりも大きい場合、Ｈレベルの信号を出力する。また、コンパレータ３３は、出力電圧Ｖｏ３が出力電圧Ｖｏ２よりも大きい場合、Ｌレベルの信号を出力する。コンパレータ３３の動作の更なる詳細については、後述して説明する。

　ＡＮＤゲート３４は、ローアクティブ化された一入力端がコンパレータ３１の出力端に接続され、他の入力端がコンパレータ３３の出力端に接続される。また、ＡＮＤゲート３５は、一入力端がコンパレータ３１の出力端に接続され、他の入力端がコンパレータ３３の出力端に接続される。さらに、ＡＮＤゲート３６は、一端がコンパレータ３１の出力端に接続され、ローアクティブ化された他端がコンパレータ３３の出力端に接続される。

　インバータ３２は、その入力端がＡＮＤゲート３４の出力端に接続され、その出力端がスイッチＳｗ１の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続される。また、インバータ３７は、その入力端がＡＮＤゲート３５の出力端に接続され、その出力端がスイッチＳｗ２の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続される。さらに、インバータ３８は、その入力端がＡＮＤゲート３６の出力端に接続され、その出力端がスイッチＳｗ３の一方のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続される。

　スイッチＳｗ１は、オペアンプＡｍｐ１の出力端に接続されるとともに、他方のＭＯＳＦＥＴのゲートがＡＮＤゲート３４の出力端に接続される。また、スイッチＳｗ２は、オペアンプＡｍｐ２の出力端に接続されるとともに、他方のＭＯＳＦＥＴのゲートがＡＮＤゲート３５の出力端に接続される。さらに、スイッチＳｗ３は、オペアンプＡｍｐ３の出力端に接続されるとともに、他方のＭＯＳＦＥＴのゲートがＡＮＤゲート３６の出力端に接続される。

（動作）
　次に、本実施の形態に係る温度検出装置１の動作について、図５乃至７を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、理解を容易とするため、動作ジャンクション温度Ｔｊの上昇に関連して、低温領域、中温領域、高温領域の順で説明する。
　まず、低温領域においては、出力電圧Ｖｏ２が、出力電圧Ｖｏ１よりも大きくなるように、前段の出力演算部２における各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、図６に示すマルチプレクサ３におけるコンパレータ３１は、Ｌレベルの信号を出力する。このＬレベルの信号は、ローアクティブ化されたＡＮＤゲート３４の一端に入力される。また、低温領域においては、前段において出力電圧Ｖｏ２が、出力電圧Ｖｏ３よりも大きくなるように各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、コンパレータ３３は、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、ＡＮＤゲート３４の他端に入力される。

　ＡＮＤゲート３４は、入力された２つの信号に基づいて、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、スイッチＳｗ１の他方のＭＯＳＦＥＴ、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられるとともに、インバータ３２に入力される。インバータ３２は、入力されたＨレベルの信号を反転して出力し、Ｌレベルの信号をスイッチＳｗ１の一方のＭＯＳＦＥＴ、例えばｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与える。従って、スイッチＳｗ１が導通し、オペアンプＡｍｐ１と図示しないマイコン等との間が導通し、出力電圧Ｖｏ１がこのマイコン等に入力される。

　次に、中間領域においては、出力電圧Ｖｏ１が、出力電圧Ｖｏ２よりも大きくなるように、前段における各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、コンパレータ３１は、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、ＡＮＤゲート３５の一端に入力される。また、中温領域においては、前段において出力電圧Ｖｏ２が、出力電圧Ｖｏ３よりも大きくなるように各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、コンパレータ３３は、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、ＡＮＤゲート３５の他端に入力される。

　ＡＮＤゲート３５は、入力された２つの信号に基づいて、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、スイッチＳｗ２のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられるとともに、インバータ３７に入力される。インバータ３７は、入力されたＨレベルの信号を反転して出力し、Ｌレベルの信号をスイッチＳｗ２のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与える。従って、スイッチＳｗ２が導通し、オペアンプＡｍｐ２と図示しないマイコン等との間が導通し、出力電圧Ｖｏ２がこのマイコン等に入力される。

　そして、高温領域においては、出力電圧Ｖｏ１が、出力電圧Ｖｏ２よりも大きくなるように前段において各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、コンパレータ３１は、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、ＡＮＤゲート３６の一端に入力される。また、高温領域においては、出力電圧Ｖｏ３が、出力電圧Ｖｏ２よりも大きな値となるように前段において各抵抗値の比が設定、選択されている。従って、コンパレータ３３はＬレベルの信号を出力する。このＬレベルの信号は、ＡＮＤゲート３６のローアクティブ化された他端に入力される。

　ＡＮＤゲート３６は、入力された２つの信号に基づいて、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、スイッチＳｗ３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与えられるとともに、インバータ３８に入力される。インバータ３８は、入力されたＨレベルの信号を反転して出力し、Ｌレベルの信号をスイッチＳｗ３のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに与える。従って、スイッチＳｗ３が導通し、オペアンプＡｍｐ３と図示しないマイコン等との間が導通し、出力電圧Ｖｏ３がこのマイコン等に入力される。

　（作用及び効果）
　以上説明したように、本実施の形態によれば、温度検出装置１は、オペアンプの出力電圧が交差する複数の温度閾値を境界として、各温度閾値における出力電圧Ｖｏｕｔの連続性を担保して、検出温度領域を低温領域、中温領域、高温領域に区分化した。低温領域での出力電圧Ｖｏｕｔの変化量を適宜設定することで、この変化量（温度傾斜）が単純に線形な場合と比較して、温度検出の精度向上を図りつつも例えばコンプレッサ用のモータに低温起動時の高負荷が加わることを抑制することが可能となる。

　また高温領域での出力電圧Ｖｏｕｔの変化量を適宜設定することで、この変化が単純に線形な場合と比較して、温度に対する変化量（温度傾斜）を増大させることが可能となり、高温領域での動作ジャンクション温度Ｔｊの検出精度の向上を図るとともに、パワー半導体スイッチング素子の過熱保護に最適な温度検出特性を得ることができる。

　これらの変化量は、上述のように、各オペアンプの帰還抵抗器と入力抵抗器の抵抗値の比［Ｒｂ１／Ｒａ１］、［Ｒｂ２／Ｒａ２］、［Ｒｂ３／Ｒａ３］を適宜設定、選択することで、目的とする温度領域のみならず用途に応じても最適化することができる。

　上述した第１及び第２の実施の形態の温度検出装置１は、例えば、図８に示す三相インバータモジュールに適用することができる。この例では、温度検出装置１は、三相インバータモジュールのローサイド駆動回路内に設けられ、このローサイド駆動回路に接続されたパワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度を検出する。そして、検出した動作ジャンクション温度を外部のＭＰＵ（マイコン等）に伝達する。ＭＰＵは、この動作ジャンクション温度に応じた指示をローサイド駆動回路に与える。ローサイド駆動回路は、与えられた指示に応じてパワー半導体スイッチング素子を駆動する。

　本発明は上述した実施の形態に限定されず、その技術的範囲から逸脱しない限りにおいて、様々な応用、変更、置換が可能である。そのような態様も、本発明の技術的範囲に含まれるものであり、添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲及びその均等の範囲に含まれるものである。

　例えば、上述した実施の形態においては、オペアンプの数を変更することで、ある温度閾値を境界として複数の温度領域を設定したが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、単一のオペアンプを採用して、その負帰還における抵抗値及び非反転入力側の基準電圧を可変とすることで、ある温度閾値を境界として複数の温度領域を設定することも可能である。

　また、上述した実施の形態においては、ある温度閾値を境界として、温度傾斜が低温領域よりも高温領域で大きい場合を例にして説明をした。しかしながら、本発明はこのような場合に限定されない。温度検出装置１の用途によっては、温度傾斜が高温領域よりも低温領域で大きいほうが望ましい場合もある。この場合、上述した実施の形態において例示したように、例えば、オペアンプの各抵抗値の比を適宜設定、選択したり、その出力が入力されるマルチプレクサ３内において、コンパレータ周辺の接続関係等を適宜変更することで、温度傾斜が高温領域よりも低温領域で大きくなるようにすることが可能である。

　１　　温度検出装置
　２　　出力演算部
　３　　マルチプレクサ（出力選択部）
　３１、３３　コンパレータ
　３２、３７、３８　インバータ（ＮＯＴゲート）
　３４－３６　ＡＮＤゲート
　Ａｍｐ１、Ａｍｐ２、Ａｍｐ３　オペアンプ（演算増幅器）
　Ｄ　　ダイオード（温度センサ）
　Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒａ３、Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３　抵抗器
　Ｓｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３　スイッチ

Claims (13)

1. 　温度センサから入力される温度信号をもとに当該温度信号に対応する電気信号を出力する温度検出装置であって、
   　前記温度信号の変化量に対する出力の変化量である温度傾斜を所定の温度閾値で変更することを特徴とする温度検出装置。
2. 　前記温度閾値を複数有することを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
3. 　異なる二以上の温度傾斜で前記温度信号に対する出力をそれぞれ演算する出力演算部と、前記温度閾値をもとに前記出力演算部から出力された二以上の出力のうち一の出力を選択する出力選択部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
4. 　前記出力演算部は複数の演算増幅器を備え、各演算増幅器は帰還抵抗器と入力抵抗器の各抵抗値の比が異なるように設定され、
   　前記出力選択部は、前記複数の演算増幅器の出力が入力され、前記温度閾値をもとに一の演算増幅器の出力を選択するマルチプレクサを備えていることを特徴とする請求項３に記載の温度検出装置。
5. 　前記マルチプレクサは、前記複数の演算増幅器の出力が交差する点を前記温度閾値とすることを特徴とする請求項４に記載の温度検出装置。
6. 　対象物の温度が取り得る値の温度領域において、前記温度閾値を基準として前記温度閾値よりも温度の高い高温領域と前記温度閾値よりも温度の低い低温領域とが定められ、前記温度傾斜は、前記低温領域よりも前記高温領域で大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度検出装置。
7. 　対象物の温度が取り得る値の温度領域において、前記温度閾値を基準として前記温度閾値よりも温度の高い高温領域と前記温度閾値よりも温度の低い低温領域とが定められ、前記温度傾斜は、前記高温領域よりも前記低温領域で大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度検出装置。
8. 　前記温度センサは、電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子のチップ内に形成されたダイオードから構成されることを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
9. 　前記温度センサは、電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子を駆動する集積回路内に形成されたダイオードから構成されることを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
10. 　前記温度センサは、電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子の温度を検出するサーミスタから構成されることを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
11. 　電力変換に用いるパワー半導体スイッチング素子と、
    　請求項１に記載の温度検出装置であって、前記パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度を検出する温度検出装置と、
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
12. 　前記温度検出装置は、
    　駆動する負荷の動作状況に応じて、前記閾値を境界として前記選択すべき変化量を変更し、
    　前記パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度が取り得る値の温度領域において、前記温度閾値を基準として前記温度閾値よりも温度の高い高温領域と前記温度閾値よりも温度の低い低温領域とを定め、前記温度傾斜は、前記低温領域よりも前記高温領域で大きい、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 　前記温度検出装置は、
    　駆動する負荷の動作状況に応じて、前記閾値を境界として前記選択すべき変化量を変更し、
    　前記パワー半導体スイッチング素子の動作ジャンクション温度が取り得る値の温度領域において、前記温度閾値を基準として前記温度閾値よりも温度の高い高温領域と前記温度閾値よりも温度の低い低温領域とを定め、前記温度傾斜は、前記高温領域よりも前記低温領域で大きい、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。

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