(57)【要約】【課題】  温度検出用ダイオードの温度特性を正確に決定できるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】  このパワー半導体モジュール１０は、一方の面にスイッチング素子が載置された放熱用の金属ベース板１１は、たとえば銅ベース板として構成されている。この金属ベース板１１の一方の面には、樹脂などの外囲ケース１４によって保護されたＩＧＢＴチップが固定され、外囲ケース１４の外部に複数の主端子１５が突設されている。また、金属ベース板１１の他方の面には高い電気抵抗率ρ（=１７×１０-8Ωｍ）の金属膜１６が加熱体として成膜されている。誘導加熱による温度計測装置を用いて、放熱用の金属ベース板１１の温度を非接触で測定することで、ＩＧＢＴチップ内の温度検出用ダイオードの温度特性を正確に決定できる。【選択図】  図１
2006351979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を含んで構成されるパワー半導体モジュールにおいて、
一方の面に前記スイッチング素子が載置される放熱用の金属ベース板と、
前記金属ベース板の他方の面に被着される、前記金属ベース板より電気抵抗率の高い金属膜と、
を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記金属ベース板が銅ベース板であって、
前記金属膜が前記銅ベース板に塗布またはメッキにより被着されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記スイッチング素子には、温度検出用のダイオードが内蔵されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールを加熱してその温度測定を行うための温度計測装置において、
エンジニアリングプラスチックからなるトッププレートと、
前記トッププレートの上面に前記金属ベース板を密着させて前記パワー半導体モジュールを固定する固定手段と、
前記トッププレートと前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板との隙間に挿入される被加熱材料と、
前記被加熱材料を媒介にして前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板を加熱するための誘導加熱手段と、
前記トッププレートを透過して前記被加熱材料から放射される赤外線に基づいて前記パワー半導体モジュールの温度を測定する放射温度測定手段と、
を備えたことを特徴とする温度計測装置。
【請求項５】
前記被加熱材料は、前記金属ベース板より電気抵抗率が高い金属微粉末であることを特徴とする請求項４記載の温度計測装置。
【請求項６】
前記被加熱材料は、前記金属ベース板より電気抵抗率が高い金属箔であることを特徴とする請求項４記載の温度計測装置。
【請求項７】
前記トッププレートには、上下面を貫通する測定窓が形成されていることを特徴とする請求項４記載の温度計測装置。
【請求項８】
前記測定窓は、その直径５ｍｍ以内の大きさで、かつ前記トッププレートの中央部分に形成されていることを特徴とする請求項７記載の温度計測装置。
【請求項９】
前記トッププレートは、前記測定窓が波長８〜１３μｍの赤外線を選択して透過する材料によって封止されていることを特徴とする請求項７記載の温度計測装置。
【請求項１０】
放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールを加熱してその温度測定を行うための温度計測方法において、
エンジニアリングプラスチックからなるトッププレートの上面に前記パワー半導体モジュールを固定する際に、前記トッププレートと前記金属ベース板との隙間に被加熱材料を挿入して密着させ、
前記被加熱材料を媒介にして前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板を加熱し、
前記トッププレートを透過して前記被加熱材料から放射される赤外線に基づいて前記パワー半導体モジュールの温度を測定する、
ことを特徴とする温度計測方法。
【請求項１１】
前記被加熱材料は、前記金属ベース板より電気抵抗率が高い金属微粉末であることを特徴とする請求項１０記載の温度計測方法。
【請求項１２】
前記被加熱材料は、前記金属ベース板より電気抵抗率が高い金属箔であることを特徴とする請求項１０記載の温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧コンバータ装置に組み込まれて使用される複数のスイッチング素子からなるパワー半導体モジュール、パワー半導体モジュールを加熱してその温度測定を行うための温度計測装置、および温度計測方法に関し、とくに車両用電圧コンバータ装置に組み込まれるＩＰＭ（Intelligent Power Module）などのパワー半導体モジュール、その温度検出用ダイオードの温度特性決定に必要な温度計測装置および温度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の車両機器では、高効率化や省エネ対策として、大きな駆動力を生むことができる電動機駆動システムが採用されている。図１２は、車両機器における電動機駆動システムの一例を示すブロック図である。この電動機（Ｍ）４の駆動システムには、大別して電源１、昇降圧コンバータ２、およびインバータ３が含まれている。
【０００３】
ここでは、電源１は走行車両の架線などから給電される電圧、あるいは直列接続されたバッテリから構成されている。昇降圧コンバータ２では、車両駆動時に電源回路の２８０ボルトの電圧ＶLを、電動機４の駆動に適した７５０ボルトまで昇圧している。そして、車両の制動時には、電動機４が発電機となって、そこから生じる電圧ＶH（＝７５０ボルト）を電源回路の電圧ＶL（＝２８０ボルト）まで降圧して、電力の回生動作が行われる。さらに、車両駆動時には、インバータ３のスイッチング素子をオンオフ制御することにより、電動機４の各相に対して昇降圧コンバータ２で昇圧された電力から所定の電流を流すようにしている。このとき、車両の速度はスイッチング周波数に応じて変化する。車両の制動時には、各相に生じる交流電圧に同期してインバータ３のスイッチング素子をオンオフし、いわゆる整流動作によって直流電圧に変換して、昇降圧コンバータ２から電源１への回生動作が行われる。
【０００４】
こうした車両用電圧コンバータ装置を含む電動機４の駆動システムには、スイッチング素子として半導体パワースイッチ、およびこれに並列に設けられたダイオードを一体に組み込んだ、ＩＰＭなどのパワー半導体モジュールが用いられる。このＩＰＭなどのパワー半導体モジュールにおいて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）チップに内蔵された温度検出用ダイオードの温度特性をあらかじめ測定しておく必要がある。
【０００５】
図１３は、従来の温度計測装置とパワー半導体モジュールの構成を示す側面断面図である。パワー半導体モジュール１００は金属ベース板１１を放熱板として備え、その上に複数に分割されたＩＧＢＴチップ１２がセラミック基板１３を介して載置されている。
【０００６】
パワー半導体モジュール１００の放熱用の金属ベース板１１には、たとえば銅（Ｃｕ）ベースが用いられる。また、一対のＩＧＢＴチップ１２が、絶縁用の各セラミック基板１３上に固定されている。ここでは、ＩＧＢＴチップ１２には温度検出用のダイオードが複数個形成されている。
【０００７】
温度検出用のダイオードは、昇降圧動作においてＩＧＢＴチップ１２での損失が許容値を超過して熱的に破壊しないように、その温度を検出して、ＩＧＢＴチップ１２の破壊温度に至る手前でゲート信号を遮断するなどの過熱防止機構を構成している。このパワー半導体モジュール１００は、さらに樹脂などの外囲ケース１４によって保護され、その外部には複数の主端子１５が設けられる。
【０００８】
このパワー半導体モジュール１００では、シリコンウェハにダイオードのみを形成する場合に比べて、温度検出用のダイオードがＩＧＢＴチップ１２内に形成されているため、ロット間で順方向降下電圧や温度係数のバラツキが大きく、ロット毎に温度検出ダイオードの温度特性に応じて後段回路によって補正しなければならない。そして、このダイオードの温度特性を補正する際には、正確にＩＧＢＴチップ１２の温度検出を行う必要がある。
【０００９】
そこで、パワー半導体モジュール１００を温度計測装置２００に載せて、金属ベース板１１の温度を測定していた。すなわち、パワー半導体モジュール１００はヒータ２１により加熱され、図１３に示すように温度制御された熱板２２との間に熱電対２３を挟み込んでおくことにより、金属ベース板１１の温度が熱電対２３によって測定できる。
【００１０】
このように、所定の温度まで加熱された時点で温度検出ダイオードの順方向降下電圧を測定すれば、ダイオードの温度特性が測定できる。しかし、このような従来の温度計測方法では、ヒータ２１により加熱・温度制御された熱板２２と、熱電対２３からなる温度計測装置２００を用いていることから、以下のような問題があった。
【００１１】
第１に、熱電対２３は金属ベース板１１と熱板２２に対して線接触状態で温度測定を行っている。そのため、従来の温度計測装置２００では、熱電対２３がその接触状態の影響を受け易く、常に安定して正確な温度を測定することが難しかった。
【００１２】
第２に、パワー半導体モジュール１００に熱電対２３を挟み込むことによって、銅（Ｃｕ）などの金属ベース板１１の表面に僅かではあれ、傷が発生しやすい。そのため、金属ベース板１１の平坦度が損なわれる恐れがあった。
【００１３】
なお、後述する特許文献１には、トッププレートの下面の温度を非接触で検出して温度センサ信号を出力する非接触温度センサを用いた電磁誘導加熱調理器の発明が開示されている。
【００１４】
図１４は、パワー半導体モジュール各部の温度履歴を示す温度プロファイル図である。ここには、金属ベース板１１と熱板２２の隙間に挟み込んだ熱電対２３による温度プロファイルとともに、熱板２２を加熱した場合の金属ベース板１１のセラミック基板１３側、セラミック基板１３自体、およびＩＧＢＴチップ１２にそれぞれ接着された別の熱電対によって測定された温度履歴を記載している。
【００１５】
これによると、金属ベース板１１の温度を測定する熱電対２３の接触状態が良い状態（図１４（Ａ））では、熱板２２と金属ベース板１１に挟み込まれた熱電対の指示温度が、ＩＧＢＴチップ１２が搭載されているセラミック基板１３の温度と概ね同一になる。これに対して、熱電対２３の接触状態が良くない状態（図１４（Ｂ））では、熱板２２と金属ベース板１１に挟み込まれた熱電対２３の指示温度だけが、ＩＧＢＴチップ１２を搭載しているセラミック基板１３の温度より低い値となっている。これは、熱板２２から金属ベース板１１への熱の伝導が行われているにもかかわらず、熱電対２３では正確に金属ベース板１１の温度を検出できていないことを示している。同時に、金属ベース板１１の温度が正確に測定できれば、ＩＧＢＴチップ１２の温度も概ね正確に測定できることを示している。
【特許文献１】特開２００４−２２７８０４号公報（段落番号［０００２］〜［００１５］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このように、トッププレートの下面の温度を非接触で計測する方法であれば、熱板２２と金属ベース板１１との間に熱電対２３を挟み込んで行う温度測定における上述した問題は解決されるが、ＩＧＢＴチップ１２に形成された温度検出用のダイオードの温度特性を測定する従来の温度計測装置２００では、ヒータ２１により加熱・温度制御された熱板２２によって加熱を行っていたので、以下の課題が残っていた。
【００１７】
第１に、金属ベース板１１と熱板２２を接触させて、熱板２２から金属ベース板１１に熱の伝導を行うとき、パワー半導体モジュール１００の金属ベース板１１には僅かながら反りが生じるから、熱板２２に完全には密着しなくなる。そのため、パワー半導体モジュール１００の温度計測時に、金属ベース板１１が設定温度に達するまで時間がかかる。
【００１８】
第２に、熱板２２はその加熱対象である金属ベース板１１に比べて大面積であって、しかも熱板２２の全体が高温になるまで加熱する必要がある。したがって、このような熱板２２を用いた従来の温度計測装置２００は、パワー半導体モジュール１００の温度計測作業にとって危険なものであった。
【００１９】
第３に、パワー半導体モジュール１００の金属ベース板１１を均一に加熱することは困難であったために、金属ベース板１１の温度測定結果が不正確になりやすい。したがって、ＩＧＢＴチップ１２に埋め込まれた温度検出用ダイオードの出力（温度検出値）との比較も不正確となって、温度検出用ダイオードの出力の補償量を正確に決定することができなかった。
【００２０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールの温度を非接触で測定できる温度計測装置を提供することを目的とする。
【００２１】
また、本発明の別の目的は、放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールの温度を安定して測定できる温度計測方法を提供することである。
さらに、本発明の別の目的は、そのような温度計測装置を用いて温度検出用ダイオードの温度特性を正確に決定できるパワー半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明では、上記問題を解決するために、放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールを加熱してその温度測定を行うための温度計測装置において、エンジニアリングプラスチックからなるトッププレートと、前記トッププレートの上面に前記金属ベース板を密着させて前記パワー半導体モジュールを固定する固定手段と、前記トッププレートと前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板との隙間に挿入される被加熱材料と、前記被加熱材料を媒介にして前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板を加熱するための誘導加熱手段と、前記トッププレートを透過して前記被加熱材料から放射される赤外線に基づいて前記パワー半導体モジュールの温度を測定する放射温度測定手段と、を備えたことを特徴とする温度計測装置が提供される。
【００２３】
温度計測装置に載置されたパワー半導体モジュールを加熱するとき、金属ベース板の部分だけが発熱することになるから、このような加熱手段を用いた温度計測装置による測定作業が安全に行える。
【００２４】
また、金属ベース板より電気抵抗率が高い金属微粉末や金属箔などの被加熱材料を金属ベース板との隙間に挿入してもよい。
このようにすれば、金属ベース板に反りが生じた場合でも、確実に被加熱材料から金属ベース板に熱を伝達させることが可能となる。
【００２５】
したがって、放熱用の金属ベース板を安定して加熱することができ、そこに載置されたＩＧＢＴチップの温度を非接触で、かつ安定して測定できる。
本発明の温度計測方法は、放熱用の金属ベース板を備えたパワー半導体モジュールを加熱してその温度測定を行うための温度計測方法において、エンジニアリングプラスチックからなるトッププレートの上面に前記パワー半導体モジュールを固定する際に、前記トッププレートと前記金属ベース板との隙間に被加熱材料を挿入して密着させ、前記被加熱材料を媒介にして前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース板を加熱し、前記トッププレートを透過して前記被加熱材料から放射される赤外線に基づいて前記パワー半導体モジュールの温度を測定する、ことを特徴とする。
【００２６】
また、本発明のパワー半導体モジュールは、複数のスイッチング素子を含んで構成されるパワー半導体モジュールであって、一方の面に前記スイッチング素子が載置される放熱用の金属ベース板と、前記金属ベース板の他方の面に被着される、前記金属ベース板より電気抵抗率の高い金属膜と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
このようなパワー半導体モジュールであれば、温度計測に際して、ボルトなどによって熱板などの加熱体に金属ベース板を締め付けて密着させる必要がなくなり、しかも金属ベース板の加熱が安定して、かつ迅速に行える。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の温度計測装置によれば、金属ベース板が均一に加熱され、その温度計測結果が正確なものとなるとともに、パワー半導体モジュールに含まれているスイッチング素子の温度を正確に反映したものとなる。
【００２９】
また、本発明の温度計測方法によれば、放熱用の金属ベース板を安定して均一に加熱することができ、金属ベース板の温度計測結果が正確なものとなる。したがって、金属ベース板に載置されたＩＧＢＴチップの温度を非接触で、かつ安定して測定できるため、ＩＧＢＴチップに埋め込まれた温度検出用ダイオードの温度検出結果との差異、すなわち温度検出用ダイオードの温度特性が正確に決定でき、後段回路における精度のよい補正が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を示す側面断面図である。
【００３１】
このパワー半導体モジュール１０は、後述する誘導加熱による温度計測装置に対応した構造であって、一方の面にスイッチング素子が載置された放熱用の金属ベース板１１は、たとえば銅（Ｃｕ）ベース板として構成されている。この金属ベース板１１の一方の面には、樹脂などの外囲ケース１４によって保護されたＩＧＢＴチップが固定され、外囲ケース１４の外部に複数の主端子１５が突設されている。
【００３２】
ＩＧＢＴチップには、温度検出用のダイオードなどが過熱防止機構として形成されていて、パワー半導体モジュール１０の昇降圧動作においてＩＧＢＴチップでの損失が許容値を超過して熱的に破壊しないように、その温度を検出してＩＧＢＴチップの破壊温度に至る手前でゲート信号を遮断する。また、金属ベース板１１の他方の面には、メッキまたはスパッタなどによって、たとえばクロム（Ｃｒ）など高い電気抵抗率ρ（=１７×１０-8Ωｍ）の金属膜１６が加熱体（被加熱材料）として成膜されている。
【００３３】
図２は、パワー半導体モジュールと温度測定を行うための温度計測装置との位置関係を示す平面図である。
これは、温度計測装置２０１の筐体２０を上面から透視したものであり、パワー半導体モジュール１０の外形がほぼ四角形であって、その加熱温度を測定するための放射温度計２４は、温度計測装置２０１の筐体２０内の中央部分に位置する。また、この筐体２０内には、パワー半導体モジュール１０の外形に対応する直径であって、その軸線が一致するように円形の誘導加熱用コイル２５が設けられている。筐体２０のパワー半導体モジュール１０に接するトッププレートは、加熱される金属ベース板１１の高温に耐えうるように、たとえばポリイミドなどのエンジニアリングプラスチックが使用されている。したがって、金属膜１６が成膜された金属ベース板１１から放射され、トッププレートを通過した赤外線は放射温度計２４に入射し、金属ベース板１１の温度を放射温度計２４によって測定できる。
【００３４】
この放射温度計２４の原理は、温度測定対象である金属ベース板１１の表面から放射される赤外線を集光レンズで赤外線センサに集光して、金属ベース板１１の表面から出る赤外線のエネルギー量に基づいて、その温度を測定する。放射温度計２４に用いられる赤外線センサでは、焦電素子やセレン化鉛（ＰｂＳｅ）、あるいは硫化鉛（ＰｂＳ）などの光伝導素子により赤外線のエネルギー量を測定している。なお、すでに図１２において説明したように、金属ベース板１１の温度は樹脂ケース内のＩＧＢＴチップ温度と概ね同一であるので、金属ベース板１１を放射温度計２４の測定対象として選択しても差し支えない。
【００３５】
図３は、実施の形態１に係る温度計測装置の一例を示す構成説明図である。
この温度計測装置２０１は、パワー半導体モジュール１０がトッププレートの上面に配置され、その内部に放射温度計２４と誘導加熱用コイル２５が収納された筐体２０と、温度制御装置３０およびその電源３１とから構成される。温度制御装置３０では、放射温度計２４によって測定されたパワー半導体モジュール１０の温度計測値を、予め設定された指示値と比較して、電源３１をＰＩＤ制御することによって、誘導加熱用コイル２５の電流値と周波数を容易に変更できる。電源３１は、誘導加熱用コイル２５に高周波（１０〜２０ＫＨｚ）の大電流を流すインバータ装置であって、温度制御装置３０からの制御入力により誘導加熱用コイル２５に流す電流値と周波数が指令されている。
【００３６】
このように構成された温度計測装置２０１では、誘導加熱用コイル２５に加えられる交番磁界によりクロム（Ｃｒ）など金属膜１６の表面に渦電流が流れるため、その電気抵抗に応じたエネルギー損失が熱となって、金属膜１６を成膜した金属ベース板１１だけが加熱される。したがって、温度検出用ダイオードの温度特性を決定する際に、放熱用の金属ベース板１１の温度を非接触で測定することで、パワー半導体モジュール１０の温度測定作業を安全に行うことができる。
【００３７】
なお、パワー半導体モジュール１０の他の部分に銅（Ｃｕ）を材料とする構成部分があっても、それらの厚みがおよそ２０μｍ以上であれば電気抵抗は小さく、僅かな発熱しか生じないため、温度測定の誤差をもたらすものとはならない。
【００３８】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る温度計測装置のトッププレートとパワー半導体モジュールの関係を示す側面断面図である。
【００３９】
ここでは、実施の形態１で用いた加熱体として成膜された金属膜１６に代えて、金属微粉末１７が用いられる。すなわち、温度計測装置の筐体２０のトッププレート２７には、パワー半導体モジュール１０の外形よりやや大きな凹部２８を深さ数百μｍで形成し、そこにクロム（Ｃｒ）など高い電気抵抗率ρ（=１７×１０-8Ωｍ）の金属微粉末１７を満たしておく。パワー半導体モジュール１０の金属ベース板１１は、このトッププレート２７の凹部２８にボルト２９によって締め付けることによって固定される。これにより、温度計測装置のトッププレート２７とパワー半導体モジュール１０の間の金属微粉末１７に所定の荷重が加わって、金属ベース板１１と金属微粉末１７との密着性が良好になる。
【００４０】
このようなトッププレート２７を有する温度計測装置では、誘導加熱用コイルからの交番磁界が金属微粉末１７に作用して渦電流が流れ、その電気抵抗に応じたエネルギー損失が熱となって金属ベース板１１だけが加熱される。したがって、実施の形態１の場合と同様に、パワー半導体モジュール１０の温度測定作業を安全に行うことができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る温度計測装置のトッププレートとパワー半導体モジュールの関係を示す側面断面図である。
【００４２】
ここでは、実施の形態２の金属微粉末１７に代えて、金属箔１８が用いられている。パワー半導体モジュール１０の金属ベース板１１は、金属箔１８を挟んでトッププレート２７にボルト２９によって締め付けられる。これにより、温度計測装置の筐体２０とパワー半導体モジュール１０の間の金属箔１８に所定の荷重が加わって、金属ベース板１１と金属箔１８との密着性が良好になる。
【００４３】
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る温度計測装置を示す側面断面図である。この実施の形態４では、温度計測装置２０１の構成とともに、放射温度計２４を用いたパワー半導体モジュール１０の温度測定方法について説明する。
【００４４】
この温度計測装置２０１では、金属箔１８などの加熱体の温度を測定することによって、金属ベース板１１が熱板２２からの加熱により温度制御されながら、所定温度まで加熱され、パワー半導体モジュール１０に組み込まれた温度検出用のダイオードの温度特性を測定している。図１３の従来装置と異なる点は、熱板２２の中央部に上下面を貫通する測定窓２２ｈが形成されていること、およびこの測定窓２２ｈを介して金属ベース板１１から放射される赤外線強度を、放射温度計２４によって測定していることである。
【００４５】
一般に赤外線センサが正確な温度測定を行うのに必要なセンシング領域は、放射温度計２４の測定対象までの距離や、光学系が光ファイバー式であるか、非光ファイバー式であるかなどによって異なる。ここでは、測定温度は２５〜２００℃の範囲であって、測定距離が１００ｍｍ以下とした場合、加熱手段となるヒータ２１の高さを考慮すると、放射温度計２４のセンシング領域としては直径２ｍｍ以上が必要である。このセンシング領域を確保するには、図６に示すように加熱体が金属箔１８の場合は測定窓２２ｈを形成すればよい。しかし、加熱体が実施の形態２において用いた金属微粉末１７の場合には、遮蔽壁を設ける必要がある。
【００４６】
図７は、昇降圧コンバータの回路構成を示す回路図である。
この昇降圧コンバータ２は、大別してリアクトルＬ、コンデンサＣ、駆動系のスイッチング素子２Ａ，２Ｂ、これらのスイッチング素子２Ａ，２Ｂを制御する制御回路ａ１，ｂ１から構成されるものであって、電源１の電圧ＶLを昇圧して、インバータ３（図１２）へ供給している。最近の車両機器では、それぞれ制御回路ａ１，ｂ１からのゲート信号によってオンオフされる半導体パワースイッチとしてＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が用いられ、これらのＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に並列にダイオードＤ１，Ｄ２を接続したスイッチング素子２Ａ，２Ｂが構成されている。なお、スイッチング素子２Ａ，２ＢのダイオードＤ１，Ｄ２は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に流れる電流とは逆方向に電流を流すように接続される。
【００４７】
つぎに、上述した温度計測装置でパワー半導体モジュール１０を加熱し、温度検出用ダイオードの温度特性を決定する際の温度測定方法について説明する。
図８は、パワー半導体モジュールのＩＧＢＴチップの配置例を示す図である。
【００４８】
車両用電圧コンバータ装置などに用いられるパワー半導体モジュール１０は、数百Ａの電流をスイッチングするため、複数個のＩＧＢＴチップ１２が並列接続で使用されており、図８に示すように、ＩＧＢＴチップ１２はセラミック基板１３上で対称配置の構成となっている。そのため、温度計測装置２０１の熱板２２の中央にパワー半導体モジュール１０を載せれば、ＩＧＢＴチップ１２を避けて、セラミック基板１３の中央にその測定窓２２ｈが位置することになる。したがって、パワー半導体モジュール１０のＩＧＢＴチップ１２に対応する金属ベース板１１は熱板２２と接触することになるから、ＩＧＢＴチップ１２を確実に加熱できる。
【００４９】
放射温度計２４は、図６に示すように金属ベース板１１面から必要な測定距離を隔てた底板２０ｂに、その光軸が熱板２２の測定窓２２ｈの中心を通る金属ベース板１１の法線と一致するように配置され、測定窓２２ｈを介して金属ベース板１１面の温度を測定する。なお、測定温度範囲２５〜２００℃、側板２０ｓによって規定される測定距離１００ｍｍ以下であれば、そのセンシング領域の直径２ｍｍを満足する放射温度計としては、（株）チノー製の赤外線センサ（型式ＩＲ−ＣＡＢ）が好ましい。この赤外線センサによれば、応答時間２秒で計測精度は±０．８℃、再現性０．２℃以内、分解能０．１℃である。
【００５０】
放射温度計２４による測定では、同じ温度でも測定対象の材質や表面状態などにより、そこからの赤外線量は異なるので、あらかじめ放射率を設定しておく必要がある。放射率とは、黒体を１．０（１００パーセント）としたときの比率として表記され、放射率測定器で測定した放射率を用いて０．４〜０．９９の範囲で補正することができる。
【００５１】
つぎに、図９に示した昇降圧コンバータ２での昇降圧動作の原理を簡単に説明する。図９は、ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作で生じる損失を示す図である。
昇圧動作では、昇圧用のスイッチング素子２ＢのＩＧＢＴＱ２がオン（導通）のタイミングで、リアクトルＬには電流Ｉ１が流れて、そこにＬ（Ｉ１）2／２のエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子２Ｂがオフ（非導通）したとき、スイッチング素子２ＡのダイオードＤ１に電流が流れて、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーがコンデンサＣに送られる。
【００５２】
降圧動作では、スイッチング素子２ＡのＩＧＢＴＱ１がオン（導通）すると、リアクトルＬには電流Ｉ２が流れて、そこにＬ（Ｉ２）2／２のエネルギーが蓄積される。その後に、スイッチング素子２Ａがオフ（非導通）すると、スイッチング素子２ＢのダイオードＤ２に電流が流れて、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーが電源１へ回生される。
【００５３】
このような昇降圧動作において、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に生ずる損失は、図９に示すようにスイッチング素子２Ａ，２Ｂの動作状態が、それぞれ活性領域（スイッチング時）と飽和領域で発生する。飽和領域では、スイッチング素子２Ａ，２Ｂのエミッタ・コレクタ間の電圧が低いため、大電流が流れても損失は比較的少ない。しかし、活性領域ではエミッタ・コレクタ間の電圧は低くないので大きな損失が発生し、これらの損失が許容値を超過するとＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が熱的に破壊され、上述のような昇降圧動作ができなくなる。そして、車両などの輸送機器にこのような昇降圧コンバータ２が使用される場合には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の破壊による影響が大きい。
【００５４】
図１０は、ＩＧＢＴチップに埋め込まれた温度検出用ダイオードの特性を示す図である。図１０（Ａ）に示すように、ＩＧＢＴチップには、温度検出用のダイオードが形成され、ＬＶ−ＩＣの電流源からの定電流（ＩＦ）を印加して、温度検出用のダイオードの端子間電圧ＶＦによって温度を検出するようにしている。図１０（Ｂ）は、ダイオードの順方向降下電圧と温度との比例関係を示す特性図である。このようにダイオードの順方向降下電圧と温度とが比例関係にあるので、ＩＧＢＴチップに埋め込まれた温度検出用ダイオードの端子間電圧を検出することによりＩＧＢＴチップの温度を検出することができる。
【００５５】
図１１はＩＧＢＴのゲートドライブに用いる制御回路の構成を示すブロック図である。
この制御回路４０では、ＰＷＭ信号が２値化回路４１に供給され、論理回路４２、およびＭＯＳＦＥＴドライバ４３を介してＩＧＢＴゲートドライブ信号が生成される。この制御回路４０は、ＩＧＢＴ温度信号が供給される温度信号比較器４５、ＩＧＢＴ電流信号が供給される電流信号比較器４６、およびアラーム信号を生成する論理回路４７を備える。温度検出用のダイオードでの順方向降下電圧が、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が破壊温度に至る手前に設定された閾値電圧以下になると、ＩＧＢＴゲートドライブ信号を遮断し、単独でスイッチング動作を停止させる保護機能（過熱防止機能）が設けられている。
【００５６】
また、別途温度検出用のダイオードでの順方向降下電圧を、フォトカプラなどを介して上位システムに伝送することにより、上位システムでＩＧＢＴチップの温度を監視し、所定温度に到達すると、スイッチング周波数を低下させるようにしている。ここでは、さらに温度上昇が持続すると、ＩＧＢＴゲートドライブ信号を遮断することによって、システムとしてＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の熱的破壊が防止できる。
【００５７】
以上述べたように、この実施の形態４に係る温度計測装置２０１によれば、パワー半導体モジュール１０をヒータ２１により温度制御しながら、所定の温度に加熱して、金属ベース板１１の温度を正確に知ることができ、ＩＧＢＴチップ１２に埋め込まれた温度検出用ダイオードの出力と比較することにより、温度検出用ダイオードの温度特性を正確に知ることができる。したがって、温度検出用ダイオードの温度特性にバラツキがあっても、それに対応して後段回路において精度よく補正することができ、その温度測定に必要とする工数を削減できる。
【００５８】
また、温度検出用ダイオードの温度特性のバラツキを精度よく補正しているため、ＩＧＢＴチップ１２の温度を正確に監視することができ、所定温度に到達した際のスイッチング周波数を低下、さらに温度上昇が持続した際のＩＧＢＴゲートドライブ信号の遮断といった保護動作を正確なものとすることできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を示す側面断面図である。
【図２】パワー半導体モジュールと温度測定を行うための温度計測装置との位置関係を示す平面図である。
【図３】実施の形態１に係る温度計測装置の一例を示す構成説明図である。
【図４】実施の形態２に係る温度計測装置のトッププレートとパワー半導体モジュールの関係を示す側面断面図である。
【図５】実施の形態３に係る温度計測装置のトッププレートとパワー半導体モジュールの関係を示す側面断面図である。
【図６】実施の形態４に係る温度計測装置を示す側面断面図である。
【図７】昇降圧コンバータの回路構成を示す回路図である。
【図８】パワー半導体モジュールのＩＧＢＴチップの配置例を示す図である。
【図９】ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作で生じる損失を示す図である。
【図１０】ＩＧＢＴチップに埋め込まれた温度検出用ダイオードの特性を示す図である。
【図１１】ＩＧＢＴのゲートドライブに用いる制御回路の構成を示すブロック図である。
【図１２】車両機器における電動機駆動システムの一例を示すブロック図である。
【図１３】従来の温度計測装置とパワー半導体モジュールの構成を示す側面断面図である。
【図１４】パワー半導体モジュール各部の温度履歴を示す温度プロファイル図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００  パワー半導体モジュール
１１  金属ベース板
１２  ＩＧＢＴチップ
１３  セラミック基板
１４  外囲ケース
１５  主端子
１６  金属膜
１７  金属微粉末
１８  金属箔
２０  筐体
２１  ヒータ
２２  熱板
２２ｈ  測定窓
２４  放射温度計
２５  誘導加熱用コイル
２７  トッププレート
２８  凹部
２９  ボルト
３０  温度制御装置
３１  電源
２０１  温度計測装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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