(57)【要約】【課題】過電流判定回路を半導体集積回路で構成し、しかもパワースイッチング素子の接合部温度の変化に伴なう過電流検出値の変動を抑制した電力変換装置を提案する。【解決手段】パワースイッチング素子のセンス電流を受けてセンス電圧を発生する電流検出抵抗と、センス電圧を受けて過電流検出信号を発生する過電流判定回路とを有し、過電流判定回路を半導体集積回路で構成するとともに、パワースイッチング素子の接合部温度の変化に依存した温度変化を受ける負の抵抗温度特性を有するサーミスタを、電流検出抵抗と並列に接続し、電流検出抵抗とサーミスタを半導体集積回路の外部回路に配置した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回路と、この主回路に流れる主電流に対応したセンス電流を流すセンス回路を有するパワースイッチング素子を備え、このパワースイッチング素子の主回路により電力変換を行なう電力変換装置であって、
前記パワースイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動回路と、このスイッチング素子駆動回路に制御信号を供給し前記パワースイッチング素子を制御するスイッチング素子制御回路と、前記パワースイッチング素子のセンス電流を受けてセンス電圧を発生する電流検出抵抗と、前記センス電圧に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、このフィルタ回路によりノイズを除去した前記センス電圧を受けて過電流検出信号を発生する過電流判定回路と、前記過電流検出信号を受けて前記パワースイッチング素子を遮断するスイッチング素子遮断回路とを有し、
前記過電流判定回路を半導体集積回路で構成するとともに、前記パワースイッチング素子の接合部温度の変化に依存した温度変化を受ける負の抵抗温度特性を有するサーミスタを、前記電流検出抵抗と並列に接続し、前記電流検出抵抗と前記サーミスタを前記半導体集積回路の外部回路に配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置であって、前記過電流判定回路が前記過電流検出信号を発生するときの前記主電流を過電流検出値とし、また前記パワースイッチング素子の接合部温度が−４０℃の低温状態から＋１２０℃の高温状態まで変化するとしたとき、前記低温状態における前記過電流検出値が、その高温状態における前記過電流検出値の１３０％以下に抑制されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置であって、前記負の抵抗温度特性を有するサーミスタを複数個、前記電流検出抵抗と並列な回路に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主回路と、この主回路に流れる主電流に対応したセンス電流を流すセンス回路を有するパワースイッチング素子を用い、このパワースイッチング素子の主回路により電力変換を行なう電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特開平０８−０１９１６４号公報には、この種の電力変換装置に使用される半導体装置が開示されている。この先行技術に開示された半導体装置は、主回路と、この主回路の主電流に比例するセンス電流を出力するセンス回路を有するパワースイッチング素子を含んでいる。このパワースイッチング素子のセンス回路には、そのセンス電流によりセンス電圧を発生する電流検出抵抗が接続される。この電流検出抵抗は、各パワースイッチング素子の対する過電流保護回路に配置される。この過電流保護回路は、センス電圧に基づき過電流検出信号を発生する過電流判定回路が設けられる。この過電流判定回路は、このセンス電圧を基準電圧と比較するコンパレータを使用する。基準電圧は、直流電圧を２つの分圧抵抗で分圧することにより作られる。コンパレータは、センス電圧が基準電圧を超えるときに過電流検出信号を発生し、この過電流検出信号に基づき、パワースイッチング素子を遮断して、パワースイッチング素子を過電流から保護する。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−０１９１６４号公報
【０００４】
過電流判定回路が過電流検出信号を発生するときのパワースイッチング素子の主電流の値は、過電流検出値と呼ばれる。前記先行技術では、パワースイッチング素子の接合部温度の変化に伴ない、主電流に対するセンス電流のセンス電流比が変化し、過電流検出値が変化することに関連して、基準電圧を接合部温度の上昇に応じて増大させ、前記過電流検出値の温度依存性を改善している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、過電流判定回路のコンパレータを、基準電圧を作る２つの分圧抵抗とともに半導体集積回路で構成する場合、この半導体集積回路により、基準電圧を接合部温度の上昇に応じて増大させることは困難である。したがって、過電流判定回路を分圧抵抗とともに半導体集積回路で構成する場合、従来回路では、過電流検出値の温度依存性を改善するのが困難である。
【０００６】
この発明は、過電流判定回路を分圧抵抗とともに半導体集積回路で構成する場合に、過電流検出値の温度依存性を改善できる電力変換装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、主回路と、この主回路に流れる主電流に対応したセンス電流を流すセンス回路を有するパワースイッチング素子を備え、このパワースイッチング素子の主回路により電力変換を行なう電力変換装置であって、前記パワースイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動回路と、このスイッチング素子駆動回路に制御信号を供給し前記パワースイッチング素子を制御するスイッチング素子制御回路と、前記パワースイッチング素子のセンス電流を受けてセンス電圧を発生する電流検出抵抗と、前記センス電圧に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、このフィルタ回路によりノイズを除去した前記センス電圧を受けて過電流検出信号を発生する過電流判定回路と、前記過電流検出信号を受けて前記パワースイッチング素子を遮断するスイッチング素子遮断回路とを有し、前記過電流判定回路を半導体集積回路で構成するとともに、前記パワースイッチング素子の接合部温度の変化に依存した温度変化を受ける負の抵抗温度特性を有するサーミスタを、前記電流検出抵抗と並列に接続し、前記電流検出抵抗と前記サーミスタを前記半導体集積回路の外部回路に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明による電力変換装置では、前記過電流判定回路を半導体集積回路で構成するとともに、前記パワースイッチング素子の接合部温度の変化に依存した温度変化を受ける負の抵抗温度特性を有するサーミスタを、前記電流検出抵抗と並列に接続し、前記電流検出抵抗と前記サーミスタを前記半導体集積回路の外部回路に配置したので、過電流検出信号が発生するときの過電流検出値の温度依存性を容易に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明による電力変換装置の実施の形態１における電力変換装置のブロック図、図２は、実施の形態１の電力変換装置における各パワースイッチング素子の過電流保護回路のブロック図、図３は、その過電流保護回路における過電流検出値と、パワースイッチング素子の接合部温度との関係を示す特性図である。
【００１１】
実施の形態１の電力変換装置は、直流電圧を三相交流電圧に変換して三相交流負荷に給電するもので、図１に示すように、スイッチングパワーモジュール１と、直流電源６と、三相交流負荷７を備えている。直流電源６は、正極側出力端子Ｐと、負極側出力端子Ｎとを有する。三相交流負荷７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流線に接続される。
【００１２】
スイッチングパワーモジュール１は、６個のパワースイッチング素子２と、６個のフリーホイールダイオード３と、スイッチング素子駆動回路４と、スイッチング素子制御回路５と、平滑コンデンサ８とを有する。
【００１３】
６個のパワースイッチング素子２は、Ｕ相、Ｖ相、W相の各三相交流線のそれぞれに対応する３つのペアを構成するように接続される。この各パワースイッチング素子２には、バイポーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴが使用される。実施の形態１では、各パワースイッチング素子２は、例えばＩＧＢＴを用いて構成される。
【００１４】
各パワースイッチング素子２は、図２に示すように、主回路２０と、センス回路３０と、制御回路４０を有する。主回路２０は、一対の主端子Ｃ、Ｅを含み、センス回路３０はセンス端子Ｓを含み、制御回路４０は、制御端子Ｇを含む。各パワースイッチング素子２がＩＧＢＴで構成された場合、一対の主端子Ｃ、Ｅはそれぞれコレクタ端子、エミッタ端子であり、制御端子Ｇはゲート端子である。
【００１５】
センス端子Ｓは、主回路２０を流れる主電流Ｉｃに比例するセンス電流Ｉｓを出力する。この主電流Ｉｃとセンス電流Ｉｓとのセンス電流比Ｒｓは、Ｒｓ＝Ｉｃ／Ｉｓである。パワースイッチング素子２は、例えば先行技術である特開平０８−０１９１６４号公報の図３に示すように、複数のＰＮ接合を形成した半導体ウエハに対して、コレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅとともに、センス端子Ｓを形成して構成される。このセンス端子Ｓは、エミッタ端子Ｅに較べて面積が充分小さく、したがってセンス電流比Ｒｓは１よりも充分大きく、センス電流Ｉｓは主電流Ｉｃよりも充分に小さい。
【００１６】
各パワースイッチング素子２は、スイッチング素子制御回路５からの制御信号に基づき、スイッチング素子駆動回路４により、制御された位相で主回路２０がオン、オフされ、直流電源６からの直流電圧を、三相交流電圧に変換し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流線に三相交流電圧を発生する。各フリーホイールダイオード３は、それぞれのアノードが各パワースイッチング素子２のエミッタ端子Ｅに、またそれぞれのカソードが各パワースイッチング素子２のコレクタ端子Ｃのそれぞれ接続され、三相交流電圧から直流電圧への変換を行なう。平滑コンデンサ８は、各スイッチング素子２のオン、オフに伴なう電圧の跳ね上がりなどを平滑する。
【００１７】
各パワースイッチング素子２には、図２に示すように、過電流保護回路５０が接続される。この過電流保護回路５０は、半導体モジュール１の内部に構成される。この過電流保護回路５０は、センス電圧発生回路１５と、フィルタ回路１１と、過電流判定回路１２と、スイッチング素子遮断回路１３を有する。過電流判定回路１２は半導体集積回路で構成され、センス電圧発生回路１５およびフィルタ回路１１は、この過電流判定回路１２を構成する半導体集積回路の外部回路に配置される。
【００１８】
センス電圧発生回路１５は、電流検出抵抗９とサーミスタ１０を有する。電流検出抵抗９は、センス端子Ｓとエミッタ端子Ｅとの間のセンス回路３０に接続される。この電流検出抵抗９には、センス電流Ｉｓが流れる。サーミスタ１０はこの電流検出抵抗９と並列に接続される。サーミスタ１０は、負の抵抗温度係数を有し、対応する各パワースイッチング素子２を構成する半導体ウエハのＰＮ接合の接合部温度Ｔｊを受ける場所に配置され、接合部温度Ｔｊに応じた温度を受ける。センス電圧発生回路１５は、センス電流Ｉｓに基づいてセンス電圧Ｖｓを発生する。フィルタ回路１１は、センス電圧Ｖｓに含まれるノイズ成分を除去する。ノイズ成分が除去されたセンス電圧Ｖｓは、過電流判定回路１２に供給される。
【００１９】
過電流判定回路１２は、コンパレータと基準電圧発生回路により構成され、これらのコンパレータと基準電圧発回路は同じ半導体集積回路により構成される。この基準電圧発生回路は、直流電圧に互いに直列に接続された２つの分圧抵抗を有し、これらの２つの分圧抵抗の中間に基準電圧Ｖｒｅｆを発生する。過電流判定回路１２のコンパレータは、センス電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、センス電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超えたときに、過電流検出信号Ｓｏを発生する。この過電流検出信号Ｓｏは、スイッチング素子駆動回路４と、スイッチング素子遮断回路１３に供給される。この過電流検出信号Ｓｏが発生するとき、言い換えればセンス電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超えるときにおける主電流Ｉｃの値を過電流検出値Ｉｃｏと呼ぶ。
【００２０】
スイッチング素子駆動回路４は、過電流検出信号Ｓｏにより、各パワースイッチング素子２への駆動を停止し、スイッチング素子遮断回路１３は、過電流検出信号Ｓｏにより、各パワースイッチング素子２のゲート端子Ｇの電位を、そのエミッタ端子Ｅと同じ電位に低下させ、主回路２０を強制的にオフとし、パワースイッチング素子２を保護する。
【００２１】
さて、実施の形態１では、センス電圧発生回路１５は、電流検出抵抗９にサーミスタ１０を並列に接続して構成されるが、サーミスタ１０を削除した回路を比較回路と呼ぶことにする。この比較回路では、電流検出抵抗９は、センス電流Ｉｓに基づいてセンス電圧Ｖｓ０を発生し、このセンス電圧Ｖｓ０が過電流判定回路１２のコンパレータにおいて、基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。この比較回路におけるセンス電圧Ｖｓ０は、電流検出抵抗９を流れるセンス電流と、電流検出抵抗９の抵抗値Ｒ０との積で表わされる。
【００２２】
各パワースイッチング素子２では、その半導体ウエハ内のＰＮ接合の接合部温度Ｔｊが変化すると、それに伴なって、センス電流比Ｒｓが変化する。例えば、接合部温度Ｔｊが２５℃の常温状態であるときに較べて、接合部温度Ｔｊが１２０℃の高温状態になれば、センス電流Ｉｓは主電流Ｉｃよりも大きく増大し、センス電流比Ｒｓは１０〜３０％低下する。したがって、サーミスタ１０を設けない比較回路では、基準電圧Ｖｒｅｆが接合部温度Ｔｊの依存せずに、所定値を維持するものとすると、過電流検出値Ｉｃｏは、図３の特性Ａで示すように、接合部温度Ｔｊの上昇に伴なって低下する。
【００２３】
過電流保護回路５０は、接合部温度Ｔｊが１２０℃の高温状態において、パワースイッチング素子２の主電流Ｉｃが過電流検出値Ｉｃｏ（Ｈ）となったときに、過電流検出信号Ｓｏを発生するように構成される。したがって、サーミスタ１０を設けない比較回路では、接合部温度Ｔｊが低下した常温状態および低温状態では、より高い過電流検出値Ｉｃｏにおいて、過電流検出信号Ｓｏが発生する結果となる。具体的には比較回路では、接合部温度Ｔｊが１２０℃の高温状態において、過電流検出値Ｉｃｏ（Ｈ）が５５０（Ａ）となるケースにおいて、接合部温度Ｔｊ＝２５℃の常温状態における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｍ）は７００（Ａ）、また接合部温度Ｔｊ＝−４０℃の低温状態における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｌ）は８００（Ａ）となり、Ｉｃｏ（Ｍ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１２７．３（％）、Ｉｃｏ（Ｌ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１４５．５（％）となる。これは、パワースイッチング素子２を、常温状態および低温状態において、過酷な過電流に曝す結果となり、パワースイッチング素子２を過電流で破壊する不都合が発生するおそれがある。
【００２４】
実施の形態１では、センス電流Ｉｓが流れるセンス電圧発生回路１５に、電流検出抵抗９と並列に、負の抵抗温度係数を有するサーミスタ１０を接続し、このサーミスタ１０に、接合部温度Ｔｊの変化に伴なって変化する温度を与えている。この結果、過電流検出値Ｉｃｏは、接合部温度Ｔｊに対して、図３の特性Ｂに示すように、フラットに近い特性となる。したがって、接合部温度Ｔｊが低温状態にあるときの過電流検出値Ｉｃｏ（Ｌ）は、接合部温度Ｔｊが高温状態にあるときの過電流検出値Ｉｃ０（Ｈ）から余り上昇しないので、パワースイッチング素子２を過電流に曝すことがない。
【００２５】
センス電圧発生回路１５における負の抵抗温度特性のサーミスタ１０は、接合部温度Ｔｊが高温になると抵抗値が低下する特性を与えるので、センス電圧発生回路１５の合成抵抗は、接合部温度Ｔｊの低温状態で高い抵抗値となり、接合部温度Ｔｊの高温状態で低い抵抗値となる。このため、センス電圧Ｖｓは、接合部温度Ｔｊの低温状態で、高い合成抵抗と小さいセンス電流Ｉｓとの積になり、また高温状態では低い合成抵抗と大きなセンス電流Ｉｓとの積になり、全温度範囲においてフラットに近い特性となる。
【００２６】
実施の形態１の具体例では、電流検出抵抗９に数十オームの抵抗を用い、これに数十キロオームから数百キロオームの抵抗値であって、負の抵抗温度係数を有する１個のサーミスタ１０を接続した場合、接合部温度Ｔｊ＝１２０℃の高温状態における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｈ）を５５０（Ａ）として、接合部温度Ｔｊ＝２５℃の常温状態における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｍ）を６００（Ａ）、接合部温度Ｔｊ＝−４０℃の低温状態における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｌ）を７００（Ａ）に抑制することができた。この具体例において、Ｉｃｏ（Ｍ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１０９．１（％）、Ｉｃｏ（Ｌ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１２７．３（％）である。
【００２７】
なお、実施の形態１の前記具体例において、電流検出抵抗９は±２００ｐｐｍ／℃の抵抗温度係数を持つものを使用した。また、サーミスタ１０はＢ定数が数１０００Ｋの負の抵抗温度係数を持つものを使用した。また基準電圧Ｖｒｅｆを発生する２つの分圧抵抗は、＋数１００ｐｐｍ／℃の抵抗温度係数を持つが、これらの分圧抵抗は、コンパレータとともに半導体集積回路で構成され、それぞれの温度変化に対する抵抗変化が互いにキャンセルされるので、基準電圧Ｖｒｅｆは温度変化に対して、変化しないと見なすことができる。
【００２８】
以上のように実施の形態１では、過電流判定回路１２を半導体集積回路で構成するとともに、パワースイッチング素子２の接合部温度Ｔｊの変化に依存した温度変化を受ける負の抵抗温度特性を有するサーミスタ１０を、電流検出抵抗９と並列に接続し、電流検出抵抗９とサーミスタ１０を、過電流判定回路１２を構成する半導体集積回路の外部回路に配置したので、パワースイッチング素子２の接合部温度Ｔｊの変化に伴なう過電流検出値Ｉｃｏの変化をフラットに近い特性とし、とくに接合部温度Ｔｊの低温状態、常温状態における過電流検出値Ｉｃｏの増加を抑え、パワースイッチング素子２を破壊から保護することができる。
【００２９】
実施の形態２．
この実施の形態２は、電流検出抵抗９と並列な回路に、負の抵抗温度係数を有する複数個のサーミスタ１０を接続するものであり、その他は実施の形態１と同じに構成される。これらの負の抵抗温度係数を有するサーミスタ１０は、電流検出抵抗９と並列な回路に、互いに並列に、または互いに直列に接続され、またはその複数個のサーミスタ１０の一部を直列にした直並列関係で接続される。複数個のサーミスタ１０は、すべて対応するパワースイッチング素子２の接合部温度Ｔｊに比例した温度変化を受けるように構成される。
【００３０】
実施の形態２の具体例として、Ｂ定数が数１０００Ｋの負の抵抗温度係数を有する２つのサーミスタ１０を、互いに並列にして、電流検出抵抗９と並列な回路に設けることにより、接合部温度Ｔｊ＝１２０℃における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｈ）＝５５０（Ａ）とし、接合部温度Ｔｊ＝２５℃における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｍ）を５５０（Ａ）、接合部温度Ｔｊ＝−４０℃における過電流検出値Ｉｃｏ（Ｌ）を６００（Ａ）とすることができた。他の条件は実施の形態１と同じである。この具体例では、Ｉｃｏ（Ｍ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１００（％）、Ｉｃｏ（Ｌ）／Ｉｃｏ（Ｈ）は１０９．１（％）である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明による電力変換装置の実施の形態１のブロック図。
【図２】実施の形態１における各パワースイッチング素子の過電流保護回路のブロック図。
【図３】実施の形態１の過電流検出値と、パワースイッチング素子の接合部温度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００３２】
２：パワースイッチング素子、２０：主回路、３０：センス回路、４０：制御回路、
４：スイッチング素子駆動路回路、５：スイッチング素子制御回路、
６：直流電源、７：交流負荷、５０：過電流保護回路、９：電流検出抵抗、
１０：サーミスタ、１１：フィルタ回路、１２：過電流判定回路、
１３：スイッチング素子遮断回路、１５：センス電圧発生回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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