(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を駆動するための半導体素子と、
前記半導体素子を駆動制御する駆動部と、
前記半導体素子から発生する熱を放出するための放熱フィンと、
前記放熱フィンの実温度を検出する放熱フィン温度検出部と、
前記放熱フィンの周囲温度を検出する周囲温度検出部と、
前記半導体素子から前記負荷へ流れる電流値を検出する電流検出部と、
前記電流値から前記半導体素子の損失を算出する損失算出部と、
予め求めた前記半導体素子のジャンクションと前記半導体素子のケースとの間の熱抵抗の値、予め求めた前記半導体素子のケースと前記放熱フィンとの間の熱抵抗の値、予め求めた前記放熱フィンと前記周囲温度との間の熱抵抗の値、前記損失および前記周囲温度に基づいて前記放熱フィンの温度の推定値である推定温度を算出する放熱フィン温度推定部と、
前記実温度と前記推定温度との差に基づいて前記放熱フィンと前記半導体素子との間の放熱経路に異常が発生しているか否かを判定して、異常が発生していると判定した場合は前記駆動部を制御する異常判定部と、
を備える
ことを特徴とする半導体素子の温度保護装置。
【請求項２】
前記半導体素子のジャンクションと前記半導体素子のケースとの間の熱抵抗の値、前記半導体素子のケースと前記放熱フィンとの間の熱抵抗の値および前記放熱フィンと前記周囲温度との間の熱抵抗の値を記憶する記憶部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の温度保護装置。
【請求項３】
予め定められた放熱異常閾値を記憶する記憶部をさらに備え、
前記異常判定部は、前記推定温度から前記実温度を減じた値が前記放熱異常閾値を超えた場合に、前記異常が発生していると判定して前記駆動部を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の温度保護装置。
【請求項４】
前記異常判定部は、前記推定温度から前記実温度を減じた値が前記放熱異常閾値を超えた状態が予め定めた異常判定猶予時間の間継続した場合に、前記異常が発生していると判定して前記駆動部を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の温度保護装置。
【請求項５】
前記異常判定部は、前記異常が発生していると判定すると、前記駆動部を制御して前記半導体素子の動作を停止させる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体素子の温度保護装置。
【請求項６】
予め定められた過熱異常閾値を記憶する記憶部をさらに備え、
前記異常判定部は、前記実温度が前記過熱異常閾値を超えた場合に、前記半導体素子の過熱異常が発生していると判定し、前記駆動部を制御して前記半導体素子の動作を停止させる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の温度保護装置。
【請求項７】
前記半導体素子と前記放熱フィンとの間に伝熱性を向上させるための放熱グリースをさらに備える
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の半導体素子の温度保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の過熱保護を行う半導体素子の温度保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子などとして用いられる半導体素子には、発熱による部品故障を防ぐために、シリコーンなどの放熱グリースを介して放熱フィンが熱的に結合されている。そして、半導体素子が発生する熱を放熱フィンで外部に放出することにより、半導体素子の冷却が行われている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
また、上記したような半導体素子の発熱に起因する部品故障を防ぐために、放熱フィンの温度をサーミスタといった温度センサで測定し、過熱時に半導体素子の保護動作を行うことが一般的に実行されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２００４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、半導体素子の温度変化を要因とした放熱グリースのポンピングアウト現象、半導体素子と放熱フィンとの取り付け不良、放熱グリースの塗り忘れ、といった半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路に異常が発生した場合または発生している場合は、半導体素子の温度が上昇したとしても放熱フィンの温度が上昇しなくなる。そのため、従来のように放熱フィンの温度のみに基づいた温度保護制御では、半導体素子の適確な保護を行うことができず、半導体素子が故障してしまうという問題点があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路の異常を検出することができる半導体素子の温度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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、負荷を駆動するための半導体素子と、半導体素子を駆動制御する駆動部と、半導体素子から発生する熱を放出するための放熱フィンと、放熱フィンの実温度を検出する放熱フィン温度検出部と、放熱フィンの周囲温度を検出する周囲温度検出部と、半導体素子から負荷へ流れる電流値を検出する電流検出部と、を備える。さらに本発明は、電流値から半導体素子の損失を算出する損失算出部と、予め求めた半導体素子のジャンクションと半導体素子のケースとの間の熱抵抗の値、予め求めた半導体素子のケースと放熱フィンとの間の熱抵抗の値、予め求めた放熱フィンと周囲温度との間の熱抵抗の値、損失および周囲温度に基づいて放熱フィンの温度の推定値である推定温度を算出する放熱フィン温度推定部と、実温度と推定温度との差に基づいて放熱フィンと半導体素子との間の放熱経路に異常が発生しているか否かを判定して、異常が発生していると判定した場合は駆動部を制御する異常判定部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる半導体素子の温度保護装置は、半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路の異常を検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体素子の冷却装置の一例を示す構成図
【図２】実施の形態１にかかる半導体素子の温度保護装置の構成を示す図
【図３】実施の形態１にかかる半導体素子温度保護部の専用のハードウェアによる構成を示す図
【図４】実施の形態１にかかる半導体素子温度保護部をコンピュータで実現する場合のハードウェア構成を示す図
【図５】実施の形態１にかかる半導体素子および冷却装置における温度と熱抵抗の関係を示す図
【図６】実施の形態１において放熱フィンの推定温度Ｔｆｅが実温度Ｔｆより高くなる場合の様子を示すグラフ
【図７】実施の形態１において放熱フィンの実温度Ｔｆが推定温度Ｔｆｅより高くなる場合の様子を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体素子の温度保護装置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。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体素子２の冷却装置２０の一例を示す構成図である。発熱源である半導体素子２には冷却装置２０が設けられており、冷却装置２０は、半導体素子２を冷却するための放熱フィン１と、放熱フィン１と半導体素子２との間に塗布された放熱グリース３と、を有する。放熱フィン１は、半導体素子２から発生する熱を外部に放出するために設けられている。放熱グリース３の具体例は、伝熱性を向上させるためのシリコーンである。そして、放熱フィン１には、放熱フィン１の実温度Ｔｆを測定するために放熱フィン１に接続された放熱フィン温度センサ４が備えられている。さらに、放熱フィン１の傍の周囲温度Ｔａを測定するための周囲温度センサ５が設置されている。放熱フィン温度センサ４および周囲温度センサ５は、半導体素子温度保護部７に接続されている。半導体素子温度保護部７は、半導体素子２を駆動制御する駆動部１４を制御する。
【００１２】
図２は、実施の形態１にかかる半導体素子の温度保護装置１００の構成を示す図である。半導体素子の温度保護装置１００は、負荷１５を駆動する半導体素子２と、半導体素子２を駆動制御する駆動部１４と、半導体素子２から負荷１５へ流れる電流値を測定する電流センサ６と、駆動部１４を制御する半導体素子温度保護部７と、放熱フィン温度センサ４と、周囲温度センサ５と、を備える。半導体素子２は、駆動部１４によって駆動され、モータ等の負荷１５を駆動する。半導体素子２には図１に示すような放熱フィン１を含んだ冷却装置２０が接続されているが、図２では記載を省いてある。冷却装置２０も半導体素子の温度保護装置１００に含まれる。
【００１３】
半導体素子温度保護部７は、電流センサ６に接続されて半導体素子２から負荷１５へ流れる電流値を検出する電流検出部８と、電流検出部８が検出した電流値から半導体素子２の損失Ｑを算出する損失算出部９と、周囲温度センサ５に接続されて放熱フィン１の周囲温度Ｔａを検出する周囲温度検出部１０と、放熱フィン温度センサ４に接続されて放熱フィン１の実温度Ｔｆを検出する放熱フィン温度検出部１２と、を備える。ここで、損失算出部９が算出する半導体素子２の損失Ｑとは、半導体素子２の発熱量といったエネルギー損失量である。
【００１４】
また、半導体素子温度保護部７は、損失算出部９が求めた半導体素子２の損失Ｑと、周囲温度検出部１０が求めた放熱フィン１の周囲温度Ｔａとから、放熱フィン１の温度の推定値である推定温度Ｔｆｅを算出する放熱フィン温度推定部１１を備える。
【００１５】
さらに、半導体素子温度保護部７は、放熱フィン温度検出部１２が求めた放熱フィン１の実温度Ｔｆと、放熱フィン温度推定部１１が求めた放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅとの差に基づいて、放熱フィン１と半導体素子２との間の放熱経路に異常が発生しているか否かを判定して駆動部１４を制御する異常判定部１３を備える。半導体素子温度保護部７は、さらに記憶部１６を備える。
【００１６】
図３は、実施の形態１にかかる半導体素子温度保護部７の専用のハードウェアによる構成を示す図である。半導体素子温度保護部７を専用のハードウェアで構成する場合、半導体素子温度保護部７の各部のそれぞれは、図３に示すように専用のハードウェアである処理回路５０で構成される。処理回路５０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサー、並列プログラム化したプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）、ＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。半導体素子温度保護部７の各部のそれぞれを別々の複数の処理回路５０で実現してもよいし、半導体素子温度保護部７の各部の機能をまとめて一つの処理回路５０で実現してもよい。
【００１７】
図４は、実施の形態１にかかる半導体素子温度保護部７をコンピュータで実現する場合のハードウェア構成を示す図である。コンピュータの具体例はマイクロコンピュータである。この場合、半導体素子温度保護部７は、半導体素子の温度保護装置１００に設けられた図４に示すようなＣＰＵ（Central  Processing  Unit）５１およびメモリ５２により実現される。すなわち、半導体素子温度保護部７の電流検出部８、損失算出部９、周囲温度検出部１０、放熱フィン温度推定部１１、放熱フィン温度検出部１２および異常判定部１３は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５２に格納される。ＣＰＵ５１は、メモリ５２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、半導体素子温度保護部７の上記各部の機能を実現する。すなわち、半導体素子温度保護部７は、各部の機能がコンピュータにより実行されるときに、各部の動作を実施するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５２を備えている。また、これらのプログラムは、半導体素子温度保護部７の上記各部の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。
【００１８】
ここで、メモリ５２とは、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically  Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disk）が該当する。半導体素子温度保護部７の記憶部１６は、マイクロコンピュータなどに備えられたメモリ５２により実現され、その具体例はＥＥＰＲＯＭなどである。
【００１９】
また、半導体素子温度保護部７の各部の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように半導体素子温度保護部７の各部は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述した各機能を実現することができる。
【００２０】
また、電流センサ６および電流検出部８を電流検出部とみなしてもよい。また、周囲温度センサ５および周囲温度検出部１０を周囲温度検出部とみなしてもよい。また、放熱フィン温度センサ４および放熱フィン温度検出部１２を放熱フィン温度検出部とみなしてもよい。
【００２１】
図５は、実施の形態１にかかる半導体素子２および冷却装置２０における温度と熱抵抗の関係を示す図である。図５に示した変数は、すでに説明したものも含めて下記の様に定義される。
Ｔｊ・・・・半導体素子２のジャンクション温度
Ｔｃ・・・・半導体素子２のケース温度
Ｔｆ・・・・放熱フィン１の実温度
Ｔｆｅ・・・放熱フィン１の推定温度
Ｔａ・・・・放熱フィン１の周囲温度
Ｒｊｃ・・・半導体素子２のジャンクションとケースとの間の熱抵抗の値
Ｒｃｆ・・・半導体素子２のケースと放熱フィン１との間の熱抵抗の値
Ｒｆａ・・・放熱フィン１と周囲温度との間の熱抵抗の値
Ｑ・・・・・半導体素子２の損失
【００２２】
熱抵抗と損失との積が、熱を授受する物体間の温度差となるため、半導体素子２のジャンクション温度Ｔｊは、以下の数式（１）で計算できる。
Ｔｊ＝Ｑ×（Ｒｊｃ＋Ｒｃｆ＋Ｒｆａ）＋Ｔａ    ・・・（１）
【００２３】
同様に、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅは、以下の数式（２）で計算できる。
Ｔｆｅ＝Ｑ×（Ｒｊｃ＋Ｒｃｆ）＋Ｔｊ    ・・・（２）
【００２４】
数式（１）および数式（２）から、以下の数式（３）を得る。
Ｔｆｅ＝Ｑ×（２×（Ｒｊｃ＋Ｒｃｆ）＋Ｒｆａ）＋Ｔａ    ・・・（３）
【００２５】
半導体素子温度保護部７の記憶部１６に、予め求めておいた上記熱抵抗の値を記憶させておくことで、損失算出部９が求めた半導体素子２の損失Ｑと、周囲温度検出部１０で求めた放熱フィン１の周囲温度Ｔａとから、数式（３）を用いて、放熱フィン温度推定部１１は放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅを求めることができる。
【００２６】
図６は、実施の形態１において放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅが実温度Ｔｆより高くなる場合の様子を示すグラフである。この場合の、半導体素子温度保護部７による温度保護動作を以下に説明する。
【００２７】
記憶部１６に、放熱フィン１と半導体素子２との間の放熱経路の異常の有無の判定に用いるために予め定められた放熱異常閾値である閾値Ｋが記憶されている。異常判定部１３は、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅから放熱フィン１の実温度Ｔｆを減じた値が閾値Ｋを超えた場合、すなわちＴｆｅ−Ｔｆ＞Ｋとなった場合に、通常状態から異常判定猶予状態に移行する。
【００２８】
ここで、半導体素子２に流れる電流値の跳ね上がり、または各種温度検出部での瞬時的な誤検知による温度保護動作の発生を防ぐため、予め異常判定猶予時間ｔｄを定めておく。異常判定猶予状態に移行後、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅから実温度Ｔｆを減じた値が閾値Ｋを超えた状態（Ｔｆｅ−Ｔｆ＞Ｋ）が、異常判定猶予時間ｔｄの間継続した場合に、異常判定部１３は、上記放熱経路に異常が発生していると判定する。異常判定部１３は、上記放熱経路に異常が発生していると判定すると、駆動部１４を制御して半導体素子２の動作を停止させる温度保護動作を行う。
【００２９】
異常判定猶予状態に移行してから異常判定猶予時間ｔｄが経過する前に、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅから実温度Ｔｆを減じた値が閾値Ｋ以下、すなわちＴｆｅ−Ｔｆ≦Ｋとなった場合、異常判定部１３は、異常判定猶予状態を解除して通常状態に戻る。
【００３０】
なお、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅから実温度Ｔｆを減じた値が閾値Ｋを超えた状態（Ｔｆｅ−Ｔｆ＞Ｋ）になるとただちに、異常判定部１３は、上記放熱経路に異常が発生していると判定して、駆動部１４を制御して半導体素子２の動作を停止させる温度保護動作を行うようにしてもかまわない。
【００３１】
図７は、実施の形態１において放熱フィン１の実温度Ｔｆが推定温度Ｔｆｅより高くなる場合の様子を示すグラフである。この場合の、半導体素子温度保護部７による温度保護動作を以下に説明する。
【００３２】
図７に示すように、放熱フィン１の実温度Ｔｆが推定温度Ｔｆｅより高くなる場合、放熱フィン１の推定温度Ｔｆｅから実温度Ｔｆを減じた値が閾値Ｋを超えた状態（Ｔｆｅ−Ｔｆ＞Ｋ）にはならない。したがって、異常判定部１３は、放熱経路に異常が発生しているとは判定しない。しかし、記憶部１６には、半導体素子２に過熱異常が発生しているか否かの判定に用いるために予め定められた過熱異常閾値である閾値Ｔｔがさらに記憶されている。そして、放熱フィン温度１の実温度Ｔｆが閾値Ｔｔを超えた場合（Ｔｆ＞Ｔｔ）、異常判定部１３は、半導体素子２に過熱異常が発生していると判定し、駆動部１４を制御して半導体素子２の動作を停止させる温度保護動作を行う。
【００３３】
以上説明したように、実施の形態１にかかる半導体素子の温度保護装置１００は、温度検出箇所、大がかりな検出回路または部品を新たに追加せずに、半導体素子２に流れる電流値および放熱フィン１の周囲温度Ｔａに基づいて放熱フィン１の温度の推定値である推定温度Ｔｆｅを算出する手段と、放熱フィン１の実温度Ｔｆと推定温度Ｔｆｅとを比較する手段とを備える。これにより、半導体素子の温度保護装置１００は、半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路に異常が発生した場合でも、安価に半導体素子２の熱破壊を防ぐことが可能となる。これにより、放熱異常による部品故障を未然に防ぐことができる。
【００３４】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の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、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  放熱フィン、２  半導体素子、３  放熱グリース、４  放熱フィン温度センサ、５  周囲温度センサ、６  電流センサ、７  半導体素子温度保護部、８  電流検出部、９  損失算出部、１０  周囲温度検出部、１１  放熱フィン温度推定部、１２  放熱フィン温度検出部、１３  異常判定部、１４  駆動部、１５  負荷、１６  記憶部、２０  冷却装置、５０  処理回路、５１  ＣＰＵ、５２  メモリ、１００  半導体素子の温度保護装置。
【図１】
0006765527.tif 000002
【図２】
0006765527.tif 000003
【図３】
0006765527.tif 000004
【図４】
0006765527.tif 000005
【図５】
0006765527.tif 000006
【図６】
0006765527.tif 000007
【図７】
0006765527.tif 000008