(57)【要約】【課題】異常診断のための比較回路の数を低減しながらも、並列接続されたＩＧＢＴのＯＦＦ固定故障をも検知できる半導体素子の異常診断回路を提供することを目的とする。【解決手段】複数のＩＧＢＴを並列接続して使用するインバータのモジュールにおいて、当該並列接続のＩＧＢＴは同一半導体基板２上にＩＧＢＴ３と温度検出用ダイオード４を設け、複数の温度検出用ダイオード４を直列接続した少なくとも２組に分け、定電流回路５から各組の直列接続された温度検出用ダイオード４に電流を供給し、各組の直列電圧降下を差分回路６で差をとり、その差電圧が所定の電圧を越えた場合、ＩＧＢＴ２のいずれかが異常であると判断して信号を発する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子とその温度を検出するための温度検出用ダイオードを内蔵した半導体モジュールの異常を検出する、半導体の異常診断回路において、
前記温度検出用ダイオードを少なくとも２組に分け、
各組ごとに含まれる前記温度検出用ダイオードを直列に接続し、該直列に接続された温度検出用ダイオードに定電流回路から一定電流を供給し、
前記各組の温度検出用ダイオードの直列出力電圧和の差分演算をする差分演算手段と、
該差分演算手段の出力する差分が所定値以上の場合を検出し信号を発する異常検知手段を備えたことを特徴とする半導体素子の異常診断回路。
【請求項２】
前記複数の半導体素子は並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の異常診断回路。
【請求項３】
前記温度検出用ダイオードの直列出力電圧和のうち、少なくとも１組の温度検出用ダイオードの直列出力電圧和は、所定値の基準電圧と比較する比較回路を含む過温度検知回路に接続され、該過温度検知回路は前記基準電圧を下回ったとき信号を発することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の異常診断回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュールの異常を検知する半導体素子の異常診断回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子とその半導体素子の温度検出用ダイオードとを集積した半導体基板を複数個収納した半導体モジュールにおいて、順方向電流電圧に基づいて半導体素子の温度異常を検出するため複数個の温度検出用ダイオードを直列に接続し、１個の定電流回路から各温度検出用ダイオードに一定電流を供給するとともに、基準電圧を発生する基準電圧電源と、各々の温度検出用ダイオードの両端の電圧を基準電圧と比較する比較回路とを直列に接続した回路を、各々の温度検出用ダイオードと並列に接続した温度検出装置が知られている（例えば、特開２００２−１０７２３２号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の半導体素子の温度検出回路とその電源を集積して小型化を図る場合に、上述した公知の温度検出装置では、温度検出用ダイオードの出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路を半導体素子の数だけ用意しなければならず、半導体基板の面積が大きくなり、また温度異常検出配線の数が増えるという問題がある。
また、並列接続した複数の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）に適用した場合、いずれか１つのＩＧＢＴが端子のオープン故障などの原因によりＯＦＦ固定故障となっても、ＩＧＢＴの電流値が許容値以下である限り、残りのＩＧＢＴが電流を分散して負担し、放熱設計の余裕の中に埋もれて異常を検知できず、故障した以外の半導体素子基板に設計時に想定した以上の熱ストレスが集中し，クラックなどの２次故障が発生しやすく機器の寿命を縮める可能性があった。また、複数のＩＧＢＴのうちのひとつがＯＦＦ固定故障となった状態を的確に検知しようとする場合、個別にＩＧＢＴをＯＮしてそれぞれの半導体基板に対応する温度検出用ダイオードの検出温度が上昇することを確認するなど特別な異常診断シーケンスと回路を用いる必要があった。
【０００４】
本発明は、上記の問題点を解決するために、並列接続のいずれの半導体素子のＯＦＦ固定故障も簡単な回路と方法で検知できる半導体の異常診断回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、複数の半導体素子とその温度を検出するための温度検出用ダイオードを内蔵した半導体モジュールの異常を検出する、半導体の異常診断回路において、前記温度検出用ダイオードを少なくとも２組に分け、各組ごとに含まれる前記温度検出用ダイオードを直列に接続し、該直列に接続された温度検出用ダイオードに定電流回路から一定電流を供給し、前記各組の温度検出用ダイオードの直列出力電圧和の差分演算をする差分演算手段と、該差分演算手段の出力する差分が所定値以上の場合を検出し信号を発する異常検知手段を備えたものとした。
【０００６】
【発明の効果】
本発明により、複数の半導体素子の温度検出用ダイオードを同数個まとめて組とし、各組の温度検出用ダイオードを直列に接続し、その出力電圧和を組間で比較しているので、各組に含まれる半導体素子に１個でも異常があれば、各組の温度検出用ダイオードの出力電圧和に所定値以上の差が生じることにより検出できる。特に半導体素子を並列に接続している構成において、１つの半導体素子がＯＦＦ固定故障している場合にも、半導体素子の切り換え試験回路を設けることなく異常検出ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の第１の実施例を説明する。図１は電気自動車に用いられる三相同期モータのインバータに使用されるＩＧＢＴパワーモジュール回路の１相分のＩＧＢＴパワーモジュール回路であり、並列接続した複数のＩＧＢＴとその異常診断回路を示す。
本実施例では、要求される大電流に対応するためＩＧＢＴ３（３ａ〜３ｄ）を４個並列接続して１個の駆動信号Ｓ１によって制御している。ＩＧＢＴ３（３ａ〜３ｄ）とその温度検出用ダイオード４（４ａ〜４ｄ）とが同一の半導体基板２（２ａ〜２ｄ）上に形成され内蔵されている。例えば半導体基板２ａでは、ＩＧＢＴ３ａと温度検出用ダイオード４ａが同一半導体基板上に形成され、内蔵されている。他の半導体基板２ｂ、２ｃ、２ｄについても同様である。
【０００８】
温度検出用ダイオードの４ａと４ｂが直列に接続され、温度検出用ダイオードの４ｃと４ｄも直列に接続され、直列接続されたそれぞれの組ごとに個別の定電流回路５から一定電流の供給を受け、それぞれの直列出力電圧は差分回路６の−端子と＋端子に接続されている。
差分回路６の出力は比較回路８、８’に接続され、差分回路６の出力である差電圧が正の場合と負の場合のいずれでも所定の電圧差Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆ以上であるか判別するため比較回路８と８’にはそれぞれ基準電圧回路７と７’が接続されている。
比較回路８、８’は所定の電圧差以上のときＣＰＵ１１に比較異常信号Ｓ２を出力する。
【０００９】
以下に本実施例の特徴である差分回路６の入力電圧を比較する基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆの設定方法を説明する。
ここで図１のように並列接続されているＩＧＢＴ３ａ〜３ｄは４個とも同一の製造ロットのものであり、ゲート入力容量およびＯＮ電圧などの特性を揃えてあるため、ＯＮ／ＯＦＦのタイミング、各々のＩＧＢＴに流れる電流値が同一となるように設計してある。
また、各ＩＧＢＴの温度検出用ダイオード４ａ〜４ｂも同一の製造ロットのものであり、同一レベルの順方向電流ＩＦを流した場合、同一の温度環境下においては、温度検出用ダイオードはそれぞれ同一の電圧降下ＶＦを発生するように特性値を揃えてある。この温度検出用ダイオード４の順方向電流による電圧降下のの温度依存性は約−２ｍＶ／℃である。
【００１０】
さらに、並列接続された各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄの半導体基板２ａ〜２ｄは放熱構造が同一となるように配置してあり、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄにて同一の電流損失が生じた場合、いずれのＩＧＢＴの半導体基板温度も同一となるように設計している。
【００１１】
前述のように各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄおよび温度検出用ダイオード４ａ〜４ｄは、放熱条件も含めてそれぞれの特性値が同一となるように設計しているので、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのどのような駆動パターンにおいても、全ての温度検出用ダイオード４ａ〜４ｄのそれぞれの電圧降下ＶＦは同じ値を示す。
したがって、図１のように並列接続された複数のＩＧＢＴ３の半導体基板２上に設けられた温度検出用ダイオード４を２組に分け、温度検出用ダイオード４ａ、４ｂの電圧降下の和と同じく温度検出用ダイオード４ｃ、４ｄの電圧降下の和を比較しても、正常な状態で使用している限り、原理的に差は生じない。
【００１２】
実際には同一製造ロットのＩＧＢＴ、同一製造ロットの温度検出用ダイオードであっても、個々のＩＧＢＴ間、個々の温度検出用ダイオード間では特性値に製造のばらつきがあり、さらに半導体モジュールの放熱構造においても同様に製造のばらつき及び放熱能力の空間分布を生じる。その結果、前述の２組の直列された温度検出用ダイオードの電圧降下の和を比較すると、わずかな差が生じる。この製造ばらつきによる差を考慮して、さらに製造ばらつきによる取りえる電圧差に余裕を加えて閾値Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆを設定する。
具体的には、特性値のばらつきによって想定される温度検出用ダイオード１個あたりの電圧差をΔＶ１、実装のばらつきによって想定される１個あたりの電圧差をΔＶ２、出力電圧の和を取った温度検出用ダイオードの数をｎ、余裕率をＣｍとすると、
Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆ＝（ΔＶ１＋ΔＶ２）×ｎ×Ｃｍ　　　　　…（１）
となる。
【００１３】
次に、並列接続された複数のＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのうち、いずれか１つがゲート−エミッタ端子間のショート故障、コレクタまたはエミッタ端子のオープン故障などにより、ＯＦＦ固定故障となった場合の本実施例の半導体異常診断回路の動作について説明する。
このような故障が発生した場合、故障が発生したＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ端子間には規定の電流が流れないため電流損失が発生せず、他の正常なＩＧＢＴと比較して半導体基板温度が低くなる。したがって、同一半導体基板上の温度検出用ダイオードの電圧降下は、他の正常なＩＧＢＴの温度検出用ダイオードの電圧降下より大きい。
【００１４】
この結果２組に分けられた温度検出用ダイオードの電圧降下の和つまり直列出力電圧和の内、故障が発生したＩＧＢＴを含む側の直列出力電圧和の方が大きくなり、２組の直列出力電圧和の差が前述した閾値Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆを越えれば、比較回路８または８’から比較異常信号Ｓ２がＣＰＵ１１に出力される。
ＣＰＵ１１は比較異常信号Ｓ２を受けると、インバータの出力を例えば５０％に制限するとともに、「比較異常警報」灯例えば黄灯を点灯して運転者に知らせる。
【００１５】
本実施例のＩＧＢＴ３は本発明の半導体素子を、差分回路６は差分演算手段を、比較回路８と８’は異常検知手段を構成する。
【００１６】
本実施例は以上のように構成され、並列接続された複数のＩＧＢＴに対応して設けられた温度検出用ダイオードを２組に分け、それぞれの組の温度検出用ダイオードの直列出力電圧和を比較し、直列出力電圧和の差が閾値Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆを越えたときに異常であると判断しているので、インバータの出力レベルによって、またインバータの環境状況によってＩＧＢＴの温度が変化するにもかかわらず、ＩＧＢＴ間の温度差を検出できる。
また、同一組内のＩＧＢＴが電圧降下の増減において同一方向に異常な兆候を示している場合、温度検出用ダイオードを直列に接続し、その直列電圧を用いていることから、Ｓ／Ｎが改善され、診断の信頼性が向上する。
さらに、温度検出用ダイオードを直列接続し、その直列された温度検出用ダイオードの電圧を比較する構成のため、比較回路の数を削減でき、簡単な診断回路を実現できている。
【００１７】
なお、ＩＧＢＴ３と温度検出用ダイオード４とを必ずしも同一基板上に形成する必要はなく、ＩＧＢＴ３の近くに温度検出用ダイオード４を配置して半導体モジュールに内蔵してもよい。
さらに、ＣＰＵ１１は、インバータ本来の制御を行う、つまり駆動信号Ｓ１の制御を行う図示しないＣＰＵと共用してもよい。
【００１８】
次に、第２の実施例を説明する。本実施例の全体構成を図２に示す。
本実施例は、第１の実施例の２組に分けた温度検出ダイオード４の各組の直列出力電圧和を差分回路６で演算して、その差電圧から異常診断しているのに加えて、温度検出ダイオード４ｃ、４ｄの組の直列出力電圧和は、過温度検知回路１３の２つの比較回路９、９’に入力される。比較回路９には電圧Ｖｒｅｆ１’の基準電圧回路１４が、比較回路９’には電圧Ｖｒｅｆ２’の基準電圧回路１４’が接続される。それぞれの基準電圧を下回る温度検出ダイオード４ｃ、４ｄの組の直列出力電圧和が入力すると、比較回路９からはＣＰＵ１１に温度高警報信号Ｓ３が、比較回路９’からはＣＰＵ１１に温度高高警報信号Ｓ４が出る。
他は、第１の実施例と同じである。
【００１９】
１個のＩＧＢＴを過温度上昇から保護するために、温度高警報（インバータ出力５０％に制限）発するための基準電圧をＶｒｅｆ１、温度高高警報（インバータ停止）を発するための基準電圧をＶｒｅｆ２とすると、基準電圧Ｖｒｅｆ１’と基準電圧Ｖｒｅｆ２’は以下のように算出される。
なお、温度検出用ダイオード４の順電流電圧降下は、温度が高いほど小さくなることから、Ｖｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ１’＞Ｖｒｅｆ２’である。
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ここで、
Ｖ＊：　インバータの通常運用時の想定最高温度に対する温度検出用ダイオード４の電圧降下
【００２０】
図３は、本実施例においてＣＰＵ１１が実行する異常診断ロジックを示す。
ＣＰＵ１１は比較異常検知回路１２からのＳ２、および上述のＳ３、Ｓ４の信号の有無によって以下のように異常診断を行う。
まず、ステップ１０１では、比較異常検知回路１２において２組の温度検出用ダイオード４ａ、４ｂと４ｃ、４ｄの直列出力電圧和の間に閾値Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆを越えた差がある場合に出力されるＳ２信号の有無によって比較異常の可能性があるかどうかを判断する。閾値を越えた差がなければステップ１０２に進み、閾値を越えた差の場合はステップ１０４に進む。
ステップ１０２では、温度検出用ダイオード４ｃ、４ｄの直列出力電圧和がＶｒｅｆ１’を下回って、過温度検知回路１３から温度高警報信号Ｓ３が出ていないか確認する。Ｓ３信号が出ていない場合にはステップ１０３に進む。Ｓ３信号が出ている場合にはステップ１０７へ進む。
ステップ１０３では、ＩＧＢＴは全て正常と判断されて、正常状態を示す「正常」灯、例えば緑灯を点灯する。
【００２１】
ステップ１０４では、温度検出用ダイオード４ｃ、４ｄの直列出力電圧和がＶｒｅｆ１’を下回って、過温度検知回路１３から温度高警報信号Ｓ３が出ていないか確認する。Ｓ３信号が出ていない場合にはステップ１０５に進む。Ｓ３信号が出ている場合にはステップ１０７へ進む。
ステップ１０５では、ＩＧＢＴのいずれかがＯＦＦ固定故障の可能性があるとして、インバータ出力を５０％に制限する出力信号を出して、ステップ１０６に進む。
ステップ１０６では、ＩＧＢＴは過温度状態ではないと判断されて、比較異常状態を示す「比較異常警報」灯、例えば黄灯を点灯する。
【００２２】
ステップ１０７では、温度検出用ダイオード４ｃ、４ｄの直列出力電圧和がＶｒｅｆ２’を下回って、過温度検知回路１３から温度高高警報信号Ｓ４が出ていないか確認する。Ｓ４信号が出ていない場合にはステップ１０８に進む。Ｓ４信号が出ている場合にはステップ１１０へ進む。
ステップ１０８では、ＩＧＢＴは過温度状態ではあるがモータ駆動を停止する必要はない第１段階の過温度異常状態であると判断して、インバータ出力を５０％に制限する出力信号を出す。
ステップ１０９では、過温度異常の第１段階状態を示す「温度高警報」灯、例えば赤灯を１つ点灯する。
【００２３】
ステップ１１０では、ＩＧＢＴは過温度状態が機器破損の可能性がある第２段階の過温度状態であると判断して、インバータ出力を停止する。
ステップ１１１では、過温度異常の第２段階状態を示す「温度高高警報」灯、例えば赤灯を２つ点灯する。
【００２４】
本実施例におけるＩＧＢＴ３は本発明の半導体素子に、差分回路６は差分演算手段に、比較回路８は異常検知手段に対応する。
【００２５】
本実施例は以上のように構成され、第１の実施例と同じく、並列接続された複数のＩＧＢＴに対応して設けられた温度検出用ダイオードを２組に分け、それぞれの組の温度検出用ダイオードの直列出力電圧和を比較し、直列出力電圧和の差が閾値Ｖｒｅｆ＿ｄｉｆｆを越えたときに異常であると判断しているので、インバータの出力レベルによって、またインバータの環境状況によってＩＧＢＴの温度が変化するにもかかわらず、ＩＧＢＴ間の温度差を検出できる。
また、同一組内のＩＧＢＴが同一方向に異常な兆候を示している場合、温度検出用ダイオードを直列に接続し、その直列電圧を用いていることから、Ｓ／Ｎが改善され、診断の信頼性が向上する。
さらに、温度検出用ダイオードを直列接続し、その直列された温度検出用ダイオードの電圧を比較する構成のため、比較回路の数を削減でき、簡単な診断回路を実現できている。
【００２６】
本実施例では、さらに各少なくとも１組の直列された温度検出用ダイオードの直列出力電圧和を過温度検知回路によって判定しているので、各組のＩＧＢＴが同時に過温度異常を生じている場合に比較異常検知回路１２で異常を検知できなくても、過温度検知回路１３によって異常を検知できる。
この過温度検知回路１３も直列接続された温度検出用ダイオードの少なくとも１つの組に対して１個設けるようにしていることから従来のようなＩＧＢＴ１個に対して１個の過温度検知回路を設けるよりも回路の数を大幅に削減でき、簡単な診断回路によって実現できている。
【００２７】
同一製造ロットのＩＧＢＴで並列に接続されている複数のＩＧＢＴの１個が故障して過電流になっている場合、他のＩＧＢＴも同時に同じ故障をしている可能性が高いことから、本実施例においては比較異常回路で比較されている直列接続された温度検出用ダイオードの直列出力電圧和のうちの一方の直列出力電圧和だけを過温度検知回路１３で判定する簡略化した構成としている。
その場合、過温度検知回路１３の基準電圧Ｖｒｅｆ１’とＶｒｅｆ２’を（２）、（３）式の代わりに次式のように簡略化してもよい。
Ｖｒｅｆ１’＝Ｖｒｅｆ１×ｎ　　　　　…（２’）
Ｖｒｅｆ２’＝Ｖｒｅｆ２×ｎ　　　　　…（３’）
【００２８】
以上の本発明の実施例では、半導体素子としてＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、半導体素子はＩＧＢＴに限定されず、例えばトランジスタ、ＳＣＲ、ダイオードなどであってもよい。さらに、１個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を内蔵する半導体基板を例に挙げて説明したが、２個以上の半導体素子を内蔵する半導体基板に対しても本願発明を適用することができる。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の異常診断回路の構成を示す図である。
【図２】第２の実施例の構成を示す図である。
【図３】第２の実施例の異常診断ロジックを説明する図である。
【符号の説明】
１　半導体モジュール
２、２ａ〜２ｄ　半導体基板
３、３ａ〜３ｄ　ＩＧＢＴ
４、４ａ〜４ｄ　温度検出用ダイオード
５　定電流回路
６　差分回路
７、７’　基準電圧回路
８、８’　比較回路
９、９’　比較回路
１１　　　ＣＰＵ
１２　　　比較異常検知回路
１３　　　過温度検知回路
１４、１４’　　基準電圧回路
Ｓ１　　　ＩＧＢＴ駆動信号
Ｓ２　　　比較異常信号
Ｓ３　　　温度高警報信号
Ｓ４　　　温度高高警報信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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