WO2022190680A1

WO2022190680A1 - インテリジェントパワーモジュールおよびパワーモジュール

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Publication number: WO2022190680A1
Application number: PCT/JP2022/002614
Authority: WO
Inventors: 優孝藤井
Original assignee: 富士電機株式会社
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2022-09-15
Also published as: CN115917946A; JPWO2022190680A1; US20230198516A1

Abstract

温度ワーニングが過電流によるものではないときは動作周波数の低減をしないようにする。　ＩＧＢＴ（２１）をドライブする制御ＩＣ（３０）は、ＩＧＢＴ（２１）をドライブする入力信号（Ｖｉｎ）を分周して動作周波数を低減する分周回路（３１）と、ＩＧＢＴ（２１）の過電流を検出する過電流検出用比較器（３４）と、ＩＧＢＴ（２１）の過熱を検出する過熱保護ワーニング用比較器（３５）および過熱保護アラーム用比較器（３６）と、分周回路（３１）の分周機能を制御する論理回路（３７）とを備えている。過電流検出用比較器（３４）が過電流を検出していなくて過熱保護ワーニング用比較器（３５）がワーニング信号を出力している条件のときだけ、論理回路（３７）は、分周回路（３１）の分周機能を有効にするイネーブル信号を出力し、それ以外の条件では動作周波数の低減をしない。

Description

インテリジェントパワーモジュールおよびパワーモジュール

　本発明は、インテリジェントパワーモジュールおよびパワーモジュールに関する。

　一般に、モータの可変速装置などに適用されるインバータ装置は、電力変換を行うパワー素子、このパワー素子をドライブするドライバ、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路を備えている。これらの構成のうち、制御回路を除くパワー素子、ドライバおよび保護回路を一つのパッケージに集約したインテリジェントパワーモジュールやパワー素子およびドライバを一つのパッケージに集約したパワーモジュールと呼ばれる半導体装置がある。

　パワー素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のような電圧制御型半導体素子が用いられている。

　インテリジェントパワーモジュールは、パワー素子を保護する保護回路として、パワー素子の過熱保護を行う過熱保護回路、パワー素子の過電流保護を行う過電流保護回路などを備えている。

　過熱保護回路は、パワー素子の温度を監視し、パワー素子が所定温度まで上昇すると、ワーニング信号を出力し、さらに使用を継続することでパワー素子の温度が素子破壊温度に近い温度まで上昇すると、アラーム信号を出力してパワー素子のスイッチング動作を停止させる。

　過電流保護回路は、パワー素子に流れる電流を監視し、パワー素子に所定値以上の過電流が流れたときに、過電流検出信号を出力し、パワー素子のドライブ能力を低下させるようにしている。

　過熱保護回路では、パワー素子が所定温度まで上昇してワーニング信号が出力したとき、そのまま運転を継続すると、パワー素子の温度がさらに上昇し、アラーム信号を出力するとき、パワー素子のスイッチング動作を停止する。しかし、アラーム信号を出力するまでパワー素子の温度を上昇させることは、パワー素子の信頼性および寿命を低下させることになる。このため、ワーニング信号を出力したときに、パワー素子のスイッチングの動作周波数を低減させて、パワー素子の温度上昇を抑制することが行われている（たとえば、特許文献１－３参照）。

特開２００７－１９５３４３号公報特開２０１２－２１００１２号公報特開２０００－１３４９９０号公報

　過負荷などにより過電流を検出している場合、パワー素子のスイッチングの動作周波数を低減することは、パワー素子の温度上昇の抑制に有効である。温度ワーニング時に動作周波数の低減を行うと、周期が長くなる分、電流のピークが延びてしまい、そのピークの期間に過熱アラーム時の電流遮断があると、サージ電圧のためにパワー素子が破壊されることがある。一方、周囲温度が上昇したりヒートシンクが外れたりしたときの温度上昇についても、温度ワーニング時に動作周波数の低減を行うので、過熱アラーム時に電流遮断が行われると、サージ電圧のためにパワー素子が破壊される可能性がある。

　本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワー素子の温度上昇が過電流によるものではないときは、温度ワーニング時に動作周波数の低減をしない、インテリジェントパワーモジュールおよびパワーモジュールを提供することを目的とする。

　本発明では、上記の課題を解決するために、１つの案では、パワー素子およびパワー素子を制御する制御部を備えたインテリジェントパワーモジュールが提供される。インテリジェントパワーモジュールの制御部は、パワー素子をドライブする信号の動作周波数を低減できる分周機能を有する分周回路と、パワー素子の過電流を検出する過電流検出用比較器と、パワー素子が第１所定温度以上に高くなったことを検出してワーニング信号を出力する過熱保護ワーニング用比較器と、パワー素子が第１所定温度より高い第２所定温度に達したことを検出してアラーム信号を出力する過熱保護アラーム用比較器と、過電流検出用比較器が過電流を検出していないときに過熱保護ワーニング用比較器がワーニング信号を出力しているときだけ分周回路の分周機能を有効にするイネーブル信号を出力する論理回路と、を有している。

　本発明の別の案では、パワー素子およびパワー素子を制御する制御部を備えたパワーモジュールが提供される。パワーモジュールの制御部は、パワー素子をドライブする信号の動作周波数を低減できる分周機能を有する分周回路と、パワー素子の過電流を検出する過電流検出用比較器と、パワー素子が所定温度以上に高くなったことを検出してワーニング信号を出力する過熱保護ワーニング用比較器と、過電流検出用比較器が過電流を検出していないときに過熱保護ワーニング用比較器がワーニング信号を出力しているときだけ分周回路の分周機能を有効にするイネーブル信号を出力する論理回路と、を有している。

　上記構成のインテリジェントパワーモジュールは、ワーニング信号が過電流によるものではないときは動作周波数の低減をしないようにしたので、アラーム信号が出力されてパワー素子が電流遮断したときにサージ電圧による破壊の危険が回避される。
　本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

本発明の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの構成例を示す図である。過電流検出なしのときのインテリジェントパワーモジュールの動作を示す図である。過電流ありのときのインテリジェントパワーモジュールの動作を示す図である。論理回路のＡＮＤ回路の動作を表す真理値表を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
　図１は本発明の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの構成例を示す図、図２は過電流検出なしのときのインテリジェントパワーモジュールの動作を示す図、図３は過電流ありのときのインテリジェントパワーモジュールの動作を示す図、図４は論理回路のＡＮＤ回路の動作を表す真理値表を示す図である。なお、図２および図３では、上からチップ温度、過熱保護のアラーム信号、過熱保護のワーニング信号、過電流検出用比較器の出力信号、および、ドライバの出力信号を示している。

　本発明の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュール１０は、図１に示したように、電力変換を行うパワー素子２０とこのパワー素子２０をドライブおよび保護動作を行う制御部である制御ＩＣ（Integrated Circuit）３０とを備えている。

　パワー素子２０は、ＩＧＢＴ２１と温度検出用ダイオード２２とを有している。パワー素子２０は、また、ここでは図示を省略しているが、ＩＧＢＴ２１に逆並列に接続されたＦＷＤ（Free Wheeling Diode）を有している。ＩＧＢＴ２１は、主電流（コレクタ電流）に比例した電流を取り出すことができるセンスＩＧＢＴを有している。温度検出用ダイオード２２は、ＩＧＢＴ２１のチップに一体に形成されている。

　制御ＩＣ３０は、分周回路３１と、ドライバ制御回路３２と、ドライバ３３と、過電流検出用比較器３４と、過熱保護ワーニング用比較器３５と、過熱保護アラーム用比較器３６と、論理回路３７とを備えている。

　分周回路３１は、制御ＩＣ３０のＩＮ端子に接続された入力を有し、ＩＮ端子は、上位の制御回路に接続されていて、パワー素子２０をスイッチング制御する入力信号Ｖｉｎを受ける。分周回路３１は、分周機能を有効にするイネーブル入力端子Ｅを有している。分周回路３１の出力は、ドライバ制御回路３２の入力に接続され、ドライバ制御回路３２の出力は、ドライバ３３の入力に接続されている。ドライバ３３の出力は、制御ＩＣ３０のＯＵＴ端子を介してパワー素子２０のＩＧＢＴ２１のゲートに接続されている。ＩＧＢＴ２１のエミッタは、制御ＩＣ３０のＧＮＤ端子を介してグランドに接続されている。

　過電流検出用比較器３４は、非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有している。過電流検出用比較器３４の非反転入力端子は、センス抵抗３８の一方の端子に接続され、センス抵抗３８の他方の端子は、グランドに接続されている。過電流検出用比較器３４の非反転入力端子は、また、制御ＩＣ３０のＯＣ端子を介してＩＧＢＴ２１のセンスエミッタに接続されている。過電流検出用比較器３４の反転入力端子は、基準電圧源３９の正極端子に接続され、基準電圧源３９の負極端子は、グランドに接続されている。この基準電圧源３９は、過電流を検出する閾値電圧に相当する基準電圧を出力する。過電流検出用比較器３４の出力端子は、論理回路３７に接続されている。

　過熱保護ワーニング用比較器３５および過熱保護アラーム用比較器３６は、それぞれ非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有している。過熱保護ワーニング用比較器３５および過熱保護アラーム用比較器３６の非反転入力端子は、定電流源４０の電流出力端子に接続され、定電流源４０の電流入力端子は、制御ＩＣ３０の電源のＶＣＣラインに接続されている。過熱保護ワーニング用比較器３５および過熱保護アラーム用比較器３６の非反転入力端子は、さらに、制御ＩＣ３０のＯＨ端子を介してパワー素子２０の温度検出用ダイオード２２のアノードに接続されている。温度検出用ダイオード２２のカソードは、グランドに接続されている。

　過熱保護ワーニング用比較器３５の反転入力端子は、基準電圧源４１の正極端子に接続され、基準電圧源４１の負極端子は、グランドに接続されている。この基準電圧源４１は、過熱保護ワーニングを検出する閾値電圧に相当する基準電圧を出力する。なお、この過熱保護ワーニング用比較器３５は、出力の論理状態により２つの閾値が切り替わるヒステリシス比較器であり、したがって、基準電圧源４１は、過熱保護ワーニングレベルおよび過熱保護ワーニングリセットレベルの電圧を有することになる。過熱保護ワーニング用比較器３５の出力端子は、制御ＩＣ３０のＷＡＲ端子および論理回路３７に接続されている。

　過熱保護アラーム用比較器３６の反転入力端子は、基準電圧源４２の正極端子に接続され、基準電圧源４２の負極端子は、グランドに接続されている。この基準電圧源４２は、過熱保護アラームを検出する閾値電圧に相当する基準電圧を出力する。この基準電圧源４２の基準電圧は、ワーニング検出用の基準電圧源４１の基準電圧より低い。なお、この過熱保護アラーム用比較器３６は、出力の論理状態により２つの閾値が切り替わるヒステリシス比較器であり、したがって、基準電圧源４２は、過熱保護アラームレベルおよび過熱保護アラームリセットレベルの電圧を有することになる。過熱保護アラーム用比較器３６の出力端子は、制御ＩＣ３０のＡＬＭ端子およびドライバ制御回路３２に接続されている。

　論理回路３７は、インバータ回路３７ａ，３７ｂおよびＡＮＤ回路３７ｃを有している。インバータ回路３７ａの入力は、過電流検出用比較器３４の出力端子に接続され、インバータ回路３７ａの出力は、ＡＮＤ回路３７ｃの一方の入力に接続されている。インバータ回路３７ｂの入力は、過熱保護ワーニング用比較器３５の出力端子に接続され、インバータ回路３７ｂの出力は、ＡＮＤ回路３７ｃの他方の入力に接続されている。ＡＮＤ回路３７ｃの出力は、分周回路３１のイネーブル入力端子Ｅに接続されている。

　このインテリジェントパワーモジュール１０では、上位の制御回路からパワー素子２０をスイッチング制御する入力信号Ｖｉｎが供給されると、分周回路３１は、正常動作時は、入力信号Ｖｉｎを分周することなくそのまま出力し、ドライバ制御回路３２に送出する。論理回路３７から分周回路３１のイネーブル入力端子Ｅにイネーブル信号が入力されると、分周回路３１は、入力信号Ｖｉｎを分周してパワー素子２０の動作周波数を低減し、分周された出力信号をドライバ制御回路３２に送出する。ドライバ制御回路３２は、分周回路３１から受けた信号をドライバ３３に送出し、ドライバ３３は、分周回路３１から出力された動作周波数の信号でＩＧＢＴ２１をドライブする。ドライバ制御回路３２は、また、過熱保護アラーム用比較器３６のアラーム信号を受けて、パワー素子２０の動作を停止するなどの制御を行う。

　ＩＧＢＴ２１が動作すると、コレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流に比例したセンス電流がセンスＩＧＢＴのセンスエミッタより出力される。センス電流は、ＯＣ端子を介して制御ＩＣ３０に入力され、センス抵抗３８を介してグランドに流れる。そのとき、センス抵抗３８の両端には、センス電流に比例したセンス電圧が生じ、そのセンス電圧は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ電流に比例した値を有する信号として過電流検出用比較器３４の非反転入力端子に入力される。過電流検出用比較器３４は、センス電圧を基準電圧源３９の基準電圧と比較し、比較結果を出力信号Ｖｏｃｄとして出力する。この出力信号Ｖｏｃｄは、センス電圧が基準電圧より低ければ、ローレベル「０」の論理信号となり、センス電圧が基準電圧以上であれば、ハイレベル「１」の論理信号となる。

　ＩＧＢＴ２１の温度は、温度検出用ダイオード２２によって検出される。すなわち、温度検出用ダイオード２２は、定電流源４０からＯＨ端子を介して定電流が供給されており、これにより、ＯＨ端子には、温度検出用ダイオード２２の順方向電圧が現れている。この温度検出用ダイオード２２の順方向電圧は、温度が高くなるにつれて低くなるよう変化するので、順方向電圧の値からＩＧＢＴ２１のチップ温度を推定することができる。ＯＨ端子の電圧は、過熱保護ワーニング用比較器３５および過熱保護アラーム用比較器３６の非反転入力端子に入力される。

　過熱保護ワーニング用比較器３５は、ＯＨ端子の電圧を基準電圧源４１の基準電圧と比較し、比較結果は、ＷＡＲ端子を介して上位の制御回路へ通知される。過熱保護ワーニング用比較器３５は、ＯＨ端子の電圧が基準電圧より高ければ、ハイレベル「１」の論理信号を出力し、ＯＨ端子の電圧が基準電圧以下であれば、ワーニング信号としてローレベル「０」の論理信号を出力する。詳しくは、過熱保護ワーニング用比較器３５は、ヒステリシス比較器であるので、基準電圧源４１の基準電圧は、図２および図３に示したように、過熱保護ワーニングレベルＬｏｈｐｗおよび過熱保護ワーニングリセットレベルＬｏｈｐｗｒを有している。したがって、過熱保護ワーニング用比較器３５は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが常温のとき、ハイレベル「１」の信号を出力する。過熱保護ワーニング用比較器３５は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが常温より上昇して過熱保護ワーニングレベルＬｏｈｐｗ以上になると、ローレベル「０」のワーニング信号を出力する。過熱保護ワーニング用比較器３５は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが過熱保護ワーニングレベルＬｏｈｐｗより低下して過熱保護ワーニングリセットレベルＬｏｈｐｗｒ以下になると、ハイレベル「１」の信号を出力する。

　過熱保護アラーム用比較器３６は、ＯＨ端子の電圧を基準電圧源４２の基準電圧と比較し、比較結果は、ＡＬＭ端子を介して上位の制御回路へ通知される。過熱保護アラーム用比較器３６は、ＯＨ端子の電圧が基準電圧より高ければ、ハイレベル「１」の論理信号を出力し、ＯＨ端子の電圧が基準電圧以下であれば、アラーム信号としてローレベル「０」の論理信号を出力する。詳しくは、過熱保護アラーム用比較器３６は、ヒステリシス比較器であるので、基準電圧源４２の基準電圧は、図２および図３に示したように、過熱保護アラームレベルＬｏｈｐａおよび過熱保護アラームリセットレベルＬｏｈｐａｒを有している。したがって、過熱保護アラーム用比較器３６は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが過熱保護ワーニングレベルＬｏｈｐｗより高い過熱保護アラームレベルＬｏｈｐａに達するまでは、ハイレベル「１」の論理信号を出力する。過熱保護アラーム用比較器３６は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが過熱保護アラームレベルＬｏｈｐａに達すると、ローレベル「０」のアラーム信号を出力する。過熱保護アラーム用比較器３６は、ＩＧＢＴ２１のチップ温度Ｔｃが過熱保護ワーニングリセットレベルＬｏｈｐｗｒよりも高い過熱保護アラームリセットレベルＬｏｈｐａｒ以下になると、ハイレベル「１」の信号を出力する。

　論理回路３７では、ＡＮＤ回路３７ｃは、その一方の入力に過電流検出用比較器３４の出力信号Ｖｏｃｄをインバータ回路３７ａによって論理反転された信号Ｂが入力され、他方の入力には、ワーニング信号をインバータ回路３７ｂによって論理反転された信号Ａが入力されている。したがって、ＡＮＤ回路３７ｃの出力信号Ｃは、図４に示したように、過電流を検出していなくて信号Ｂがハイレベル「１」であり、なおかつ、ワーニング信号を出力していて信号Ａがハイレベル「１」の条件のときだけ、出力信号Ｃがハイレベル「１」となる。これにより、分周回路３１は、イネーブル入力端子Ｅにハイレベル「１」のイネーブル信号が入力されることによって分周機能が有効になる。

　つまり、分周回路３１は、図２に示したように、過電流を検出していないときであって、ワーニング信号を出力しているときには、入力信号Ｖｉｎを分周して動作周波数を低減する。一方、過電流を検出していてワーニング信号を出力しているとき、分周回路３１は、図３に示したように、分周機能が無効にされ、動作周波数の低減はしない。

　ワーニング信号の出力がＩＧＢＴ２１の周囲の温度上昇によるものであったり、ヒートシンクが外れたりしたことによる場合に、動作周波数の低減をしないので、さらに、温度が上昇し、アラーム信号が出力されてＩＧＢＴ２１が電流遮断したときにサージ電圧による破壊の危険が回避される。

　なお、上記の実施の形態では、論理回路３７は、インバータ回路３７ａ，３７ｂおよびＡＮＤ回路３７ｃで構成したが、これらに代えて、ＮＯＲ回路で構成することもできる。これにより、ＮＯＲ回路は、過電流が検出されていないときのローレベルの論理信号とワーニング信号が出力されているときのローレベルの論理信号とを同時に受けているときだけ、ハイレベルの論理信号を出力する。

　また、上記の実施の形態では、アラーム信号を出力する保護回路が備えられたインテリジェントパワーモジュールについて説明したが、本発明は、そのような保護回路を持たないパワーモジュールにも同様に適用することができる。
　上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

　１０　インテリジェントパワーモジュール
　２０　パワー素子
　２１　ＩＧＢＴ
　２２　温度検出用ダイオード
　３０　制御ＩＣ
　３１　分周回路
　３２　ドライバ制御回路
　３３　ドライバ
　３４　過電流検出用比較器
　３５　過熱保護ワーニング用比較器
　３６　過熱保護アラーム用比較器
　３７　論理回路
　３７ａ，３７ｂ　インバータ回路
　３７ｃ　ＡＮＤ回路
　３８　センス抵抗
　３９　基準電圧源
　４０　定電流源
　４１，４２　基準電圧源

Claims

　パワー素子および前記パワー素子を制御する制御部を備えたインテリジェントパワーモジュールにおいて、
　前記制御部は、
　前記パワー素子をドライブする信号の動作周波数を低減できる分周機能を有する分周回路と、
　前記パワー素子の過電流を検出する過電流検出用比較器と、
　前記パワー素子が第１所定温度以上に高くなったことを検出してワーニング信号を出力する過熱保護ワーニング用比較器と、
　前記パワー素子が前記第１所定温度より高い第２所定温度に達したことを検出してアラーム信号を出力する過熱保護アラーム用比較器と、
　前記過電流検出用比較器が過電流を検出していないときに前記過熱保護ワーニング用比較器が前記ワーニング信号を出力しているときだけ前記分周回路の前記分周機能を有効にするイネーブル信号を出力する論理回路と、
　を有している、インテリジェントパワーモジュール。
　前記過電流検出用比較器は、過電流を検出していないとき、ローレベルの論理信号を出力し、前記過熱保護ワーニング用比較器は、前記ワーニング信号としてローレベルの論理信号を出力する、請求項１記載のインテリジェントパワーモジュール。
　前記論理回路は、前記過電流検出用比較器が過電流を検出していないときのローレベルの論理信号を論理反転する第１インバータ回路と、前記過熱保護ワーニング用比較器が出力する前記ワーニング信号を論理反転する第２インバータ回路と、前記第１インバータ回路の出力および前記第２インバータ回路の出力を入力とするＡＮＤ回路とを有する、請求項２記載のインテリジェントパワーモジュール。
　前記パワー素子の温度は、前記パワー素子のチップに形成された温度検出用ダイオードによって検出される、請求項１記載のインテリジェントパワーモジュール。
　前記パワー素子は、ＩＧＢＴである、請求項１記載のインテリジェントパワーモジュール。
　前記パワー素子の過電流は、前記パワー素子に形成されたセンスＩＧＢＴが出力するセンス電流を基準電圧と比較することによって検出する、請求項５記載のインテリジェントパワーモジュール。
　パワー素子および前記パワー素子を制御する制御部を備えたパワーモジュールにおいて、
　前記制御部は、
　前記パワー素子をドライブする信号の動作周波数を低減できる分周機能を有する分周回路と、
　前記パワー素子の過電流を検出する過電流検出用比較器と、
　前記パワー素子が所定温度以上に高くなったことを検出してワーニング信号を出力する過熱保護ワーニング用比較器と、
　前記過電流検出用比較器が過電流を検出していないときに前記過熱保護ワーニング用比較器が前記ワーニング信号を出力しているときだけ前記分周回路の前記分周機能を有効にするイネーブル信号を出力する論理回路と、
　を有している、パワーモジュール。