(57)【要約】【課題】チップサイズを増大させることなく半導体スイッチング素子の温度を検出できる整流装置を提供する。【解決手段】整流回路を、寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄを有するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２を備えた整流器モジュール群５により構成する。制御回路１５は、寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄに電流が流れている期間に、その電流が所定値に達するタイミングで寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄの順方向電圧ＶDiを検出し、その順方向電圧ＶDiに基づいてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２の温度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導通端子間に還流電流を通電するための寄生ダイオード（１１Ｄ，１２Ｄ）を有する半導体スイッチング素子（１１，１２）を備えて構成される整流回路（２１，２２）と、
前記半導体スイッチング素子のオンオフを制御して整流作用をなす制御回路（１５）とを備え、
前記制御回路は、前記寄生ダイオードに電流が流れている期間に、前記電流が所定値に達するタイミングで前記寄生ダイオードの順方向電圧を検出し、
前記順方向電圧に基づいて前記半導体スイッチング素子の温度を検出することを特徴とする整流装置。
【請求項２】
前記寄生ダイオードを介して電流が流れる経路に挿入される電流検出素子（１４）と、
この電流検出素子の端子電圧を検出する端子電圧検出手段（１６）とを備え、
前記制御回路は、前記半導体スイッチング素子オフした後に、前記電流検出素子の端子電圧が一定値となったタイミングで、前記寄生ダイオードの順方向電圧を検出することを特徴とする請求項１記載の整流装置。
【請求項３】
第１及び第２半導体スイッチング素子が、電源とグランドとの間に直列接続されており、
前記電流検出素子の一端を、前記２つの半導体スイッチング素子の共通接続点に接続したことを特徴とする請求項２記載の整流装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記電流検出素子の他端側の電圧（以下、抵抗端電圧と称す）が、電源電圧を超えてから、電源電圧よりも所定値だけ下回るまでの期間を示す第１期間信号を生成すると共に、
前記抵抗端電圧がグランド電位を下回ってから、グランド電位を所定値だけ上回るまでの期間を示す第２期間信号を生成し、
前記第１，第２期間信号の立上りに同期して前記第１，第２半導体スイッチング素子をオンし、
前記第１，第２半導体スイッチング素子をオフした後、前記第１，第２期間信号が立ち下がるまでの間に、前記電流検出素子の端子電圧を参照することを特徴とする請求項２又は３記載の整流装置。
【請求項５】
導通端子間に寄生ダイオードを有し、整流回路を構成している半導体スイッチング素子について、
前記寄生ダイオードに電流が流れている期間に、前記電流が所定値に達するタイミングで前記寄生ダイオードの順方向電圧を検出し、
前記順方向電圧に基づいて前記半導体スイッチング素子の温度を検出することを特徴とする半導体スイッチング素子の温度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導通端子間に寄生ダイオードを有する半導体スイッチング素子により構成される整流回路を備えてなる整流装置，及び半導体スイッチング素子の温度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源を直流電源に変換する整流回路には、例えば、特許文献１に開示があるように、整流素子として、ダイオードに替えて例えばＭＯＳＦＥＴなどのパワー素子，半導体スイッチング素子を用い、スイッチング素子をオンして整流を行うものがある。このようなスイッチング素子には大きな電流が流れるので、温度が上昇して過熱状態に至る可能性があり、スイッチング素子の温度を検出して過熱保護動作を行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６０５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのため、特許文献１では、定電流原，ダイオード，差動増幅器より構成される温度検出部１５０を配置して、ダイオードの順方向電圧の変化によりＭＯＳトランジスタ５０〜５２の温度を検出している。しかしながら、温度を検出するためにダイオードを用いると、その分だけ半導体チップのセル面積が取られると共に、電力損失が上昇する。また、その電力損失の上昇を抑えれば、チップサイズをより大きくせざるを得ないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、チップサイズを増大させることなく半導体スイッチング素子の温度を検出できる整流装置及び半導体スイッチング素子の温度検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の整流装置によれば、整流回路を、導通端子間に寄生ダイオードを有する半導体スイッチング素子を備えて構成する。そして、制御回路は、寄生ダイオードに電流が流れている期間に、その電流が所定値に達するタイミングで寄生ダイオードの順方向電圧を検出し、その順方向電圧に基づいて半導体スイッチング素子の温度を検出する。すなわち、ダイオードの順方向電圧は負の温度特性を示すので、寄生ダイオードに流れる電流が所定値に達するタイミングで順方向電圧を検出すれば、半導体スイッチング素子の温度を検出できる。したがって、温度を検出するために専用のダイオードを設ける必要がなく、整流装置を小型に構成できる。
【０００７】
請求項２記載の整流装置によれば、制御回路は、半導体スイッチング素子オフした後に、寄生ダイオードを介して電流が流れる経路に挿入される電流検出素子の端子電圧が一定値となったタイミングで、寄生ダイオードの順方向電圧を検出する。すなわち、前記端子電圧が一定値となったタイミングで、寄生ダイオードには一定の（前記所定値の）電流が流れているので、順方向電圧を常に同じ状態で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態であり、整流器モジュールについて制御ＩＣ内部の構成を中心に示す機能ブロック図
【図２】整流器モジュールの構成を示す図
【図３】車両用発電機の構成を示す図
【図４】（ａ）電流検出抵抗の一端である端子Ｐの電圧波形、（ｂ），（ｄ）はＰ電圧検出信号（１），（２）、（ｃ），（ｅ）は上側，下側ＭＯＳＦＥＴの駆動信号波形を示す図
【図５】（ａ）は図４（ａ）相当図、（ｂ）は通電される素子の変化を示す図、（ｃ）は端子Ｐの電流波形を示す図
【図６】制御回路による制御内容を示すフローチャート
【図７】ボディダイオードの順方向電圧ＶDiと検出温度Ｔとの関係を示す図
【図８】ＭＯＳＦＥＴが故障してショートした場合のショート抵抗値と消費電力との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、２つの固定子巻線２及び３，界磁巻線４，２つの整流器モジュール群５及び６，発電制御装置７を備えている。固定子巻線２は、多相巻線（例えばＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線からなる三相巻線）であって、固定子鉄心（図示せず）に巻装されている。同様に、固定子巻線３は、多相巻線（例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる三相巻線）であって、上述した固定子鉄心に、固定子巻線２に対して電気角で３０度ずらした位置に巻装されている。これら２つの固定子巻線２及び３と固定子鉄心とで固定子が構成されている。
【００１０】
界磁巻線４は、固定子鉄心の内周側に対向配置された界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、車両のエンジンの始動した際に回転子が回転し、励磁電流を流すことで界磁極が磁化され、界磁極が磁化されたときに発生する回転磁界により固定子巻線２及び３が交流電圧を発生する。
【００１１】
整流器モジュール群５は、固定子巻線２に接続されており、全体で三相全波整流回路２１が構成され、固定子巻線２に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群５は、固定子巻線２の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール５Ｘ，５Ｙ，５Ｚを備えている。整流器モジュール５Ｘ，５Ｙ，５Ｚは、それぞれ固定子巻線２に含まれるＸ相巻線，Ｙ相巻線，Ｚ相巻線に接続されている。
【００１２】
整流器モジュール群６は、固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路２２が構成され、固定子巻線３に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群６は、固定子巻線３の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール６Ｕ，６Ｖ，６Ｗを備えている。整流器モジュール６Ｕ，６Ｖ，６Ｗは、それぞれ固定子巻線３に含まれるＵ相巻線，Ｖ相巻線，Ｗ相巻線に接続されている。上述した６つの整流器モジュール５Ｘ〜５Ｚ，６Ｕ〜６Ｗのそれぞれは個別の半導体パッケージをなしている。
【００１３】
発電制御装置７は、界磁巻線４に流す励磁電流を制御する励磁制御回路であり、励磁電流を制御することで車両用発電機１の発電電圧（各整流器モジュールの出力電圧）を制御する。また、発電制御装置７は、通信端子および通信線を介してＥＣＵ８（外部制御装置）と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。
【００１４】
また、車両用発電機１，すなわち整流器モジュール群５及び６の直流正側端子は、車両のバッテリ９の正側端子及び電気負荷１０に接続されており、同直流負側端子は、グランドＥに接続されている。
【００１５】
図２に示すように、整流器モジュール５Ｘ（その他の整流器モジュール５Ｙ，５Ｚ，６Ｕ，６Ｖ，６Ｗも同様の構成）は、バッテリ９の正側端子Ｂ（以下、電源Ｂと称す）とグランドＥとの間に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１及び１２（半導体スイッチング素子）の直列回路と、これらのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１及び１２のゲートにゲート信号を出力する制御ＩＣ１３と、電流検出抵抗１４（電流検出素子）とを備えている。電流検出抵抗１４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１及び１２の共通接続点（端子Ｍ）と、交流入力端子Ｐとの間に接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１及び１２のドレイン，ソース間には、それぞれボディダイオード１１Ｄ及び１２Ｄ（寄生ダイオード）が接続されている。
【００１６】
制御ＩＣ１３は、上側（電源側）のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオンすることで、端子Ｐから電源Ｂ側に電流を流し、下側（グランド側）のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオンすることで、グランドＥから端子Ｐ側に電流を流すように制御する。
【００１７】
図１に示すように、制御ＩＣ１３は、制御回路１５，電圧検出回路１６（端子電圧検出手段），電流検出回路１７，上ＭＯＳドライバ回路１８，下ＭＯＳドライバ回路１９を備えている。制御回路１５は、例えばマイクロコンピュータやハードロジックで構成されている。電圧検出回路１６は、端子Ｐの電圧ＶＰや、ボディダイオード１２Ｄの端子間（電源Ｂ−端子Ｍ間）電圧，ボディダイオード１３Ｄの端子間（端子Ｍ−グランドＥ間）電圧等を、必要に応じて分圧する等して検出する回路であり、検出した電圧は制御回路１５に入力される。
【００１８】
電流検出回路１７は、端子Ｍ−Ｐ間の電圧，すなわち電流検出抵抗１４の端子間電圧ＶＲを検出する回路であり、検出した電圧は制御回路１５に入力される。上ＭＯＳドライバ回路１８，下ＭＯＳドライバ回路１９は、制御回路１５が出力する制御信号に応じて、それぞれＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２のゲートにゲート駆動信号を出力する。
【００１９】
次に、本実施形態の作用について説明する。尚、以下の説明でＢは電源電圧，Ｅはグランド電位（０Ｖ）である。車両用発電機１が発電した交流電力を整流する場合、図４に示すように、制御回路１５は、入力されるＰ電圧（ＶＰ，抵抗端電圧）が上昇する期間では、Ｐ電圧が（Ｂ＋Ｖthh＿hi）を超えるとＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオンする（ａ〜ｃ参照）。すなわち、ボディダイオード１１Ｄが導通する直前のタイミングでＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオンして、ボディダイオード１１Ｄで電力損失が発生することを回避する。これにより電流は、端子ＰからＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１を介して電源Ｂ側に流れる。尚、図４（ａ）に破線で示しているのは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２をオンしなかった場合のＰ電圧波形である。
【００２０】
この状態から、制御回路１５がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオフすると、電流は端子Ｐからボディダイオード１１Ｄを介して電源Ｂ側に流れる。それから、Ｐ電圧は低下し始める。そこで、制御回路１５の内部では、図４（ｂ）に示すように、Ｐ電圧が（Ｂ＋Ｖthh＿hi）を超えると立ち上がり、Ｐ電圧が（Ｂ−Ｖthl＿hi）を下回ると立ち下がるＰ電圧検出信号（１）を生成する。そして、Ｐ電圧検出信号（１）の立上りに同期してＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオンさせ、Ｐ電圧検出信号（１）が立ち下がるよりも手前のタイミングでＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオフさせる（上ＭＯＳ駆動信号）。
【００２１】
これにより、図４（ｂ，ｃ）に示すように、上ＭＯＳ駆動信号が立ち下がってからＰ電圧検出信号（１）が立ち下がるまでの間が、電流検出抵抗１４に流れる電流を検出する「電流検出期間」となる。また、この電流検出期間内に、ボディダイオード１１Ｄの端子間電圧も検出する（詳細は後述）。
【００２２】
その後、Ｐ電圧が電源電圧Ｂの中点電位Ｂ／２を下回り、更に（Ｅ−Ｖthh＿lo）を下回ると、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオンする（ａ，ｄ，ｅ参照）。すなわち、ボディダイオード１２Ｄが導通する直前のタイミングでＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオンして、ボディダイオード１２Ｄで電力損失が発生することを回避する。これにより電流は、グランドＥからＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２を介して端子Ｐ側に流れる。
【００２３】
この状態から、制御回路１５がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオフすると、電流はグランドＥからボディダイオード１２Ｄを介して端子Ｐ側に流れる。それから、Ｐ電圧は上昇し始める。そこで、制御回路１５の内部では、図４（ｄ）に示すように、Ｐ電圧が（Ｅ−Ｖthh＿lo）を下回ると立ち上がり、Ｐ電圧が（Ｅ＋Ｖthl＿lo）を上回ると立ち下がるＰ電圧検出信号（２）を生成する。そして、Ｐ電圧検出信号（２）の立上りに同期してＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオンさせ、Ｐ電圧検出信号（２）が立ち下がるよりも手前のタイミングでＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２をオフさせる（下ＭＯＳ駆動信号）。これにより、図４（ｄ，ｅ）に示すように、下ＭＯＳ駆動信号が立ち下がってからＰ電圧検出信号（２）が立ち下がるまでの間が電流検出期間となる。尚、Ｐ電圧検出信号（１），（２）は、第１，第２期間信号に相当する。
【００２４】
図４を参照して説明したＰ電圧の変化に対して、通電される素子が変化する状態は図５（ｂ）に示されている。また、端子Ｐに流れる電流は図５（ｃ）に示すように、正弦波上に変化する。ここでは、端子Ｐから電源Ｂ方向に流れる電流の極性を正にしている。本実施形態では、ボディダイオード１１Ｄ，１２Ｄの端子電圧ＶDiを検出して、対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２の温度を検出する。そのため、ボディダイオード１１Ｄ，１２Ｄに流れている電流値が常に一定となるタイミングで端子電圧ＶDiを検出する必要がある。そこで、図５（ｃ）に示すように、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２がオフした直後に、電流値が±Ｉ１になるタイミングで端子電圧ＶDiを検出する。
【００２５】
図６に示すように、制御回路１５は、通常の整流動作を行っており、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２の一方をオフすると（Ｓ１）、電流検出回路１７より電圧ＶＲを読み込む（Ｓ２）。電流検出抵抗１４の抵抗値Ｒは一定であるから、（ＶＲ＝Ｉ１×Ｒ）になるまで待機し、（ＶＲ＝Ｉ１×Ｒ）になると（ＹＥＳ）、ステップＳ１でオフしたＮチャネルＭＯＳＦＥＴに対応するボディダイオードの端子電圧ＶDiを読み込む（Ｓ３）。
【００２６】
次に、制御回路１５は、端子電圧ＶDiを閾値電圧Ｖ１と比較し（Ｓ４）、（ＶDi＞Ｖ１）であれば（ＮＯ）正常と判断してステップＳ１に戻る。一方、（ＶDi≦Ｖ１）であれば（ＹＥＳ）、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの温度は過剰に上昇しており異常と判断する。この場合、例えば発電制御装置７に異常検知信号を出力して、発電電力を抑制するように制御を行わせる（Ｓ５）。図７に示すように、ボディダイオードが検知している温度が高くなるほど、順方向電圧ＶDiは低下する。したがって、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを加熱保護するべき温度Ｔ１に対応する電圧Ｖ１を閾値として、ステップＳ４での判断を行う。
【００２７】
また、図８に示すように、ＭＯＳＦＥＴが故障してショートした場合のショート抵抗値によって消費電力が大きくなるのは、完全なショート（デッドショート）ではなく、ショート抵抗値がある値となるレアショートの場合である。ＭＯＳＦＥＴが完全にショートすれば、ボディダイオードには電流が流れず検出できないが、消費電力が大きくより危険なレアショートの場合はボディダイオードには電流が流れるため検出が可能となる。
【００２８】
以上のように本実施形態によれば、整流回路２１，２２を、寄生ダイオード１２Ｄ，１３Ｄを有するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２を備えた整流器モジュール群５，６により構成する。制御回路１５は、寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄに電流が流れている期間に、その電流が所定値に達するタイミングで寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄの順方向電圧ＶDiを検出し、その順方向電圧ＶDiに基づいてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２の温度を検出する。したがって、温度を検出するために専用のダイオードを設ける必要がなく、整流装置を小型に構成できる。
【００２９】
また、制御回路１５は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２をオフした後に、寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄを介して電流が流れる経路に挿入される電流検出抵抗１４の端子電圧ＶＲが一定値（Ｉ１×Ｒ）となったタイミングで、寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄの順方向電圧ＶDiを検出する。したがって、順方向電圧ＶDiを常に同じ状態で検出できる。
この場合、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２を電源ＢとグランドＥとの間に直列接続し、電流検出抵抗１４の一端を、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２の共通接続点（端子Ｍ）に接続したので、１つの電流検出抵抗１４により寄生ダイオード１１Ｄ，１２Ｄの双方に流れる電流を検出できる。
【００３０】
また、制御回路１５は、電流検出抵抗１４の他端である端子Ｐの電圧が、電源電圧Ｂを超えてから、電源電圧ＢよりもＶthl＿hiだけ下回るまでの期間を示すＰ電圧検出信号（１）を生成すると共に、Ｐ電圧がグランド電位Ｅを下回ってから、グランド電位ＥをＶthl＿loだけ上回るまでの期間を示すＰ電圧検出信号（２）を生成する。そして、Ｐ電圧検出信号（１），（２）の立上りに同期してＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２をオンし、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１，１２をオフした後、Ｐ電圧検出信号（１），（２）が立ち下がるまでの間に、電流検出抵抗１４の端子電圧ＶＲを参照する。したがって、端子電圧ＶＲを参照するタイミングを確実に設定できる。
【００３１】
本発明は上記した、又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
電流検出素子は、電流検出抵抗１４に限る必要はなく、電流を検出可能な素子であれば良い。
Ｐ電圧検出信号（１），（２）を生成するための閾値電圧は、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。
半導体スイッチング素子は、必ずしも２素子が直列接続されて整流器モジュールを構成するものに限らない。
【００３２】
半導体スイッチング素子はＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴでも良い。その他、導通端子間に寄生ダイオードを備えている半導体スイッチング素子であれば適用が可能である。
車両用発電機に組み込まれる整流装置に限らない。
【符号の説明】
【００３３】
図面中、１１及び１２はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）、１１Ｄ及び１２Ｄはボディダイオード（寄生ダイオード）、１４は電流検出抵抗（電流検出素子）、１５は制御回路、１６は電圧検出回路（端子電圧検出手段）を示す。
【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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