(57)【要約】【課題】品質の向上を図ることが可能なパワーモジュール保護装置を得る。【解決手段】放熱フィンに取り付けられたパワーモジュール２に内蔵されるスイッチング素子４を保護するパワーモジュール保護装置であって、パワーモジュール２に内蔵され、かつ、パワーモジュール２に内蔵されるスイッチング素子４の温度を検出する素子温度センサ６と、放熱フィンの温度を検出するフィン温度センサ５と、素子温度センサ６で検出された素子温度とフィン温度センサ５で検出されたフィン温度との温度差を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、温度差が所定の閾値以上である場合、スイッチング素子４の動作を制限させる動作制限指令１１ａを生成してスイッチング素子４の駆動回路１２に対して出力するマイコン９（動作制限回路）と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱フィンに取り付けられたパワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子を保護するパワーモジュール保護装置であって、
前記パワーモジュールに内蔵され、かつ、前記パワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子の温度を検出する素子温度センサと、
前記放熱フィンの温度を検出するフィン温度センサと、
前記素子温度センサで検出された素子温度と前記フィン温度センサで検出されたフィン温度との温度差を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、前記温度差が所定の閾値以上である場合、前記スイッチング素子の動作を制限させる動作制限指令を生成して前記スイッチング素子の駆動回路に対して出力する動作制限回路と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール保護装置。
【請求項２】
前記放熱フィンには、前記パワーモジュールと、前記素子温度センサを内蔵しないセンサレスパワーモジュールとが取り付けられ、
前記動作制限回路は、
前記温度差を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、前記温度差が所定の閾値以上である場合、前記放熱フィンへのパワーモジュールの取り付け異常が生じている、または、前記スイッチング素子の異常発熱が生じていると判定する異常判定部と、
前記異常判定部からの判定結果を受信したとき、前記動作制限指令を生成して前記スイッチング素子の駆動回路に対して出力する第１の動作制限部と、
前記異常判定部からの判定結果を受信したとき、前記センサレスパワーモジュールに内蔵されたスイッチング素子の動作を制限させる動作制限指令を生成してこのスイッチング素子の駆動回路に対して出力する第２の動作制限部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール保護装置。
【請求項３】
前記異常判定部は、前記温度差を求め、フィン温度が素子温度より高く、かつ、前記温度差が所定の閾値以上である場合、前記センサレスパワーモジュールに内蔵されたスイッチング素子の異常発熱が生じていると判定し、
前記第２の動作制限部は、この異常判定部からの判定結果を受信したとき、このスイッチング素子の動作を制限させる動作制限指令を生成することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール保護装置。
【請求項４】
放熱フィンに取り付けられたパワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子を保護するパワーモジュール保護装置であって、
前記パワーモジュールに内蔵され、かつ、前記パワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子の温度を検出する素子温度センサと、
前記放熱フィンの温度を検出するフィン温度センサと、
前記素子温度センサで検出された素子温度と前記フィン温度センサで検出されたフィン温度との温度差を求め、この温度差が所定の閾値以上である場合、前記スイッチング素子の動作を制限させる動作制限指令を生成して前記スイッチング素子の駆動回路に対して出力する動作制限回路と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空調室外機などに搭載されるインバータ装置ではパワーモジュールが利用されており、パワーモジュールに内蔵されるＩＧＢＴ等のスイッチング素子はスイッチング動作時の損失で発熱する。従って、従来のインバータ装置では、スイッチング素子の温度（素子温度）上昇を防ぐと共にスイッチング素子の破損を回避するため、放熱フィンにパワーモジュールとフィン温度センサとを取り付け、パワーモジュールの近傍に設けられたフィン温度センサで検出された素子温度が限界温度に達したときに出力電流の制限、キャリア周波数の低減、あるいは完全な停止といった保護動作をするように構成されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１４８５２３号公報（図１など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に代表される従来技術では、放熱フィンに組み付けられたフィン温度センサのみで素子温度を検出するように構成されているため、スイッチング素子で発生した熱は放熱フィンを介してフィン温度センサに伝達され、フィン温度センサによる素子温度の検出に時間的遅れが生じる。従って、スイッチング素子の駆動回路等の異常やスイッチング素子の異常などによってスイッチング素子が過熱状態になった場合でも、速やかに保護動作を実行させることができない。特に、パワーモジュールを放熱フィンに組み付ける際の不具合によりパワーモジュールからの素子温度が放熱フィンに対して適切に伝達されない状態となっている場合、パワーモジュールが正常に組み付けられている場合に比べてスイッチング素子が過熱状態になり、保護動作が働く前にスイッチング素子が破損する可能性があるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱フィンへのパワーモジュールの取り付け状態に係わらずスイッチング素子の過熱保護動作を適切に実行させて品質の向上を図ることが可能なパワーモジュール保護装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、放熱フィンに取り付けられたパワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子を保護するパワーモジュール保護装置であって、前記パワーモジュールに内蔵され、かつ、前記パワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子の温度を検出する素子温度センサと、前記放熱フィンの温度を検出するフィン温度センサと、前記素子温度センサで検出された素子温度と前記フィン温度センサで検出されたフィン温度との温度差を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、前記温度差が所定の閾値以上である場合、前記スイッチング素子の動作を制限させる動作制限指令を生成して前記スイッチング素子の駆動回路に対して出力する動作制限回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、スイッチング素子の過熱保護動作を適切に実行させて品質の向上を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール保護装置を構成する放熱フィン、パワーモジュール、およびフィン温度センサを模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール保護装置の機能ブロックを示す図である。
【図３】図３は、図２に示されるパワーモジュール保護装置の動作を説明するための図である。
【図４】図４は、素子温度センサを有するパワーモジュールと素子温度センサを有さないパワーモジュールとが取り付けられた放熱フィンを示す図である。
【図５】図５は、パワーモジュール保護装置の他の構成例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュール保護装置の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明に係るパワーモジュール保護装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール保護装置を構成する放熱フィン、パワーモジュール、およびフィン温度センサを模式的に示す図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール保護装置の機能ブロックを示す図である。図３は、図２に示されるパワーモジュール保護装置の動作を説明するための図である。
【００１１】
図１に示される放熱フィン１は、放熱フィン１の温度（フィン温度）を検出するフィン温度センサ５（例えばサーミスタ）と、図２に示されるスイッチング素子４および素子温度センサ６（例えばサーミスタ）を内蔵するパワーモジュール２とが取り付けられている。
【００１２】
図示例ではパワーモジュール２とフィン温度センサ５とが放熱フィン１の底面に配設されている。なお、放熱フィン１の形状や、パワーモジュール２およびフィン温度センサ５の取り付け位置は、図示例に限定されるものではないが、パワーモジュール２の素子温度を精度よく検出することができるようにパワーモジュール２の近傍にフィン温度センサ５を設けることが望ましい。
【００１３】
また、図示例では１つのパワーモジュール２が放熱フィン１に取り付けられているが、パワーモジュールの数は図示例に限定されるものではなく、本実施の形態に係る放熱フィン１には、素子温度センサ６およびスイッチング素子４を内蔵したパワーモジュール２が少なくとも１つ用いられているものとする。
【００１４】
図２にはパワーモジュール保護装置の主たる機能が示され、パワーモジュール保護装置は、フィン温度センサ５と、フィン温度検出回路７と、マイコン（動作制限回路）９と、素子温度検出回路８と、駆動回路１２と、パワーモジュール２に内蔵された素子温度センサ６とを有して構成されている。
【００１５】
パワーモジュール２に内蔵されるスイッチング素子４は、例えばＩＧＢＴであり、駆動回路１２からの駆動信号によりＯＮ／ＯＦＦ動作をする。素子温度検出回路８は、パワーモジュール２に内蔵された素子温度センサ６からの温度情報によりパワーモジュール２内のスイッチング素子４の素子温度を検出する。フィン温度検出回路７は、フィン温度センサ５からの温度情報により放熱フィン１のフィン温度を検出する。
【００１６】
マイコン９は異常判定部１０および動作制限部１１を有する。異常判定部１０は、フィン温度検出回路７で検出されたフィン温度と素子温度検出回路８で検出された素子温度との温度差を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、温度差が所定の閾値以上である場合、パワーモジュール２の取り付け不良等が生じていると判定し、その判定結果１０ａを動作制限部１１に出力する。パワーモジュール２の取り付け不良等とは、例えばパワーモジュール２を放熱フィン１に組み付ける際の不具合（パワーモジュール２の取り付け不良）によってパワーモジュール２からの熱が放熱フィンに対して適切に伝達されない状態となった場合や、ノイズ等などでマイコン９が異常動作をしたことに起因してスイッチング素子４の異常発熱した場合である。なお、所定の値は、異常判定部１０に予め設定され、あるいはマイコン９内のメモリ（図示せず）に記録されている。
【００１７】
動作制限部１１は、異常判定部１０からの判定結果１０ａを受信したとき、スイッチング素子４の動作を制限するために、例えばキャリア周波数の低減あるいは完全な停止といった動作を駆動回路１２に実行させる動作制限指令１１ａを生成して出力する。
【００１８】
以下、図３を用いて動作を説明する。図３には、フィン温度センサ５で検出されたフィン温度の経時的変化を示す実線の曲線と、素子温度センサ６で検出された素子温度の経時的変化を示す点線の曲線とが示されている。図示例の曲線は、前述したパワーモジュール２の取り付け不良等が生じているときにおけるフィン温度および素子温度の経時的な推移を示すものである。
【００１９】
特にパワーモジュール２の取り付け不具合が生じている場合、この不具合が生じていない場合に比べて、パワーモジュール２で生じた熱は放熱フィン１で吸熱され難くなるため、素子温度センサ６で検出される素子温度はフィン温度よりも高い値を示し、素子温度とフィン温度との温度差ΔＴ１は時間の経過と共に大きくなる傾向がある。従来技術ではフィン温度センサ５で検出されたフィン温度のみでパワーモジュール２の保護動作を行うように構成されているため、パワーモジュール２の取り付け不良等が生じている場合でも、パワーモジュール２に内蔵されたスイッチング素子４の素子温度を適切に検出することができず、スイッチング素子４の破損を招く可能性がある。
【００２０】
本実施の形態にかかるパワーモジュール保護装置は、図示例のようにフィン温度と素子温度との温度差ΔＴ１が所定の閾値を超えたとき、パワーモジュール２の取り付け不良等が生じていると判定し、スイッチング素子４の動作を制限するように構成されている。そして、スイッチング素子４の動作が制限された時点（時刻ｔ１）以降ではスイッチング動作に伴う損失が減るため、図示例のように素子温度が経時的に下がる傾向を示し、その結果、スイッチング素子４の破損を回避することができる。
【００２１】
また本実施の形態にかかるパワーモジュール保護装置は、温度差ΔＴ１に基づいてパワーモジュール２の取り付け不良等が生じているか否かを判定する異常判定部１０を有するため、パワーモジュール２を放熱フィン１に組み付けた後にパワーモジュール２の取り付け不良等を点検することができる。従って、市場への不具合品の流出を防ぐことができる。特に、放熱フィン１に取り付けられるパワーモジュールの数が多いほど大きな効果が期待できる。また、破損したパワーモジュール２の交換に伴う作業コストを低減することができる。
【００２２】
なお、ここまでは素子温度センサ６を内蔵したパワーモジュール２の破損を回避する構成例を説明したが、本実施の形態に係るパワーモジュール保護装置は、異常判定部１０でパワーモジュール２の取り付け不良等が生じていると判定されたとき、素子温度センサ６を有さない１または複数のパワーモジュール内のスイッチング素子の動作も同時に制限するように構成してよい。以下、その構成例を説明する。
【００２３】
図４は、素子温度センサを有するパワーモジュールと素子温度センサを有さないパワーモジュールとが取り付けられた放熱フィンを示す図である。図５は、パワーモジュール保護装置の他の構成例を示す図である。
【００２４】
図４に示される放熱フィン１は、フィン温度センサ５とパワーモジュール２と素子温度センサ６を有さないパワーモジュール（センサレスパワーモジュール）２Ａとが取り付けられている。図示例では１つのパワーモジュール２と１つのパワーモジュール２Ａが放熱フィン１に取り付けられているが、本実施の形態に係るパワーモジュール保護装置で保護されるパワーモジュールの数は図示例に限定されるものではない。
【００２５】
図５において、パワーモジュール２Ａに内蔵されるスイッチング素子４Ａは、例えばＩＧＢＴであり、駆動回路１２Ａからの駆動信号によりＯＮ／ＯＦＦ動作をする。マイコン９Ａには、異常判定部１０および動作制限部１１に加えて、動作制限部１１Ａが設けられている。
【００２６】
動作制限部１１Ａは、異常判定部１０からの判定結果１０ａを受信したとき、スイッチング素子４Ａの動作を制限するために、キャリア周波数の低減あるいは完全な停止といった動作を駆動回路１２Ａに実行させる動作制限指令１１ａを生成して出力する。
【００２７】
この構成により、異常判定部１０においてパワーモジュール２の取り付け不良等が生じていると判定された場合、動作制限部１１から駆動回路１２に対して動作制限指令１１ａが出力され、また動作制限部１１Ａから駆動回路１２Ａに対して動作制限指令１１ａが出力される。従って、パワーモジュール２の取り付け不良等が生じている場合でも、パワーモジュール２およびパワーモジュール２Ａの破損を回避することができ、全てのパワーモジュールに素子温度センサ６を内蔵する場合に比べて安価な構成で保護動作を行うことができる。
【００２８】
以上に説明したように本実施の形態に係るパワーモジュール保護装置は、放熱フィン１に取り付けられたパワーモジュール２に内蔵されるスイッチング素子４を保護するパワーモジュール保護装置であって、パワーモジュール２に内蔵され、かつ、パワーモジュール２に内蔵されるスイッチング素子４の温度を検出する素子温度センサ６と、放熱フィン１の温度を検出するフィン温度センサ５と、素子温度センサ６で検出された素子温度とフィン温度センサ５で検出されたフィン温度との温度差ΔＴ１を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、温度差ΔＴ１が所定の閾値以上である場合、スイッチング素子４の動作を制限させる動作制限指令１１ａを生成してスイッチング素子４の駆動回路１２に対して出力するマイコン９（動作制限回路）と、を備える。この構成により、フィン温度と素子温度との温度差ΔＴ１が所定の閾値を超えたとき、スイッチング素子４の動作が制限され、スイッチング素子４の破損を回避することができる。
【００２９】
また、放熱フィン１には、パワーモジュール２と、素子温度センサ６を内蔵しないセンサレスパワーモジュール（パワーモジュール２Ａ）とが取り付けられ、マイコン９は、温度差ΔＴ１を求め、素子温度がフィン温度より高く、かつ、温度差ΔＴ１が所定の閾値以上である場合、放熱フィン１へのパワーモジュール２の取り付け異常が生じている、または、スイッチング素子４の異常発熱が生じていると判定する異常判定部１０と、異常判定部１０からの判定結果１０ａを受信したとき、動作制限指令１１ａを生成してスイッチング素子４の駆動回路１２に対して出力する第１の動作制限部（動作制限部１１）と、異常判定部１０からの判定結果１０ａを受信したとき、パワーモジュール２Ａに内蔵されたスイッチング素子４Ａの動作を制限させる動作制限指令１１ａを生成してこのスイッチング素子４Ａの駆動回路１２Ａに対して出力する第２の動作制限部（動作制限部１１Ａ）と、を備える。この構成により、パワーモジュール２の取り付け不良等が生じている場合でも、パワーモジュール２およびパワーモジュール２Ａの破損を回避することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュール保護装置の動作を説明するための図である。実施の形態２との相違点は異常判定部１０における判定動作であり、以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３１】
図６には、フィン温度センサ５で検出されたフィン温度の経時的変化を示す実線の曲線と、素子温度センサ６で検出された素子温度の経時的変化を示す点線の曲線とが示されているが、図示例の曲線は、例えばパワーモジュール２Ａが異常発熱した場合においてフィン温度が素子温度よりも高いときにおけるフィン温度および素子温度の経時的な推移を示すものである。
【００３２】
パワーモジュール２Ａが異常発熱した場合、パワーモジュール２Ａが異常発熱していない場合に比べて、フィン温度センサ５で検出されるフィン温度は素子温度よりも高い値を示し、素子温度とフィン温度との温度差ΔＴ２は時間の経過と共に大きくなる傾向がある。
【００３３】
本実施の形態にかかる異常判定部１０は、図示例のように温度差ΔＴ２が所定の閾値を超えたとき、パワーモジュール２Ａが異常発熱していると判定し、スイッチング素子４Ａの動作を制限するように構成されている。そして、スイッチング素子４Ａの動作が制限された時点（時刻ｔ２）以降ではスイッチング動作に伴う損失が減るため、図示例のように素子温度が経時的に下がる傾向を示し、その結果、スイッチング素子４Ａの破損を回避することができる。
【００３４】
なお、実施の形態２ではパワーモジュール２Ａの破損を回避する構成例を説明したが、本実施の形態に係るパワーモジュール保護装置は、異常判定部１０でパワーモジュール２Ａが異常発熱していると判定されたとき、実施の形態１のパワーモジュール２内のスイッチング素子４も同時に制限するように構成してよい。この構成により、異常判定部１０においてパワーモジュール２Ａが異常発熱していると判定されたとき、動作制限部１１から駆動回路１２に対して動作制限指令１１ａが出力され、また動作制限部１１Ａから駆動回路１２Ａに対して動作制限指令１１ａが出力される。従って、本実施の形態に係るパワーモジュール保護装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、パワーモジュール２Ａが過熱状態となった場合にはパワーモジュール２の破損も回避することができる、という効果を得ることができる。
【００３５】
以上に説明したように本実施の形態に係る異常判定部１０は、素子温度センサ６で検出された素子温度とフィン温度センサ５で検出されたフィン温度との温度差ΔＴ２を求め、フィン温度が素子温度より高く、かつ、温度差ΔＴ２が所定の閾値以上である場合、パワーモジュール２Ａに内蔵されたスイッチング素子４の異常発熱が生じていると判定し、前記動作制限部１１Ａは、異常判定部１０からの判定結果１０ａを受信したとき、スイッチング素子４Ａの動作を制限させる動作制限指令１１ａを生成するように構成されている。この構成により、センサレスのパワーモジュール２Ａが異常発熱している場合でも、パワーモジュール２Ａの破損を回避することができる。
【００３６】
なお、本発明の実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明は、パワーモジュール保護装置に適用可能であり、特に、品質の向上を図ることができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００３８】
１  放熱フィン、２，２Ａ  パワーモジュール、４，４Ａ  スイッチング素子、５  フィン温度センサ、６  素子温度センサ、７  フィン温度検出回路、８  素子温度検出回路、９，９Ａ  マイコン（動作制限回路）、１０  異常判定部、１０ａ  判定結果、１１，１１Ａ  動作制限部、１１ａ  動作制限指令、１２，１２Ａ  駆動回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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