(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力スイッチング素子、
前記電力スイッチング素子と同一チップに集積されたオンチップ温度検出素子、
前記チップに近接して設けられたオフチップ温度検出素子、及
び、
前記両温度検出素子の検出温度に基づいて前記電力スイッチング素子の温度状態をモニタするモニタ部、
を備え、
前記モニタ部は、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度があらかじめ定められたしきい値未満の場合に前記チップの温度として前記オフチップ温度検出素子の前記検出温度を優先して選択し、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が前記しきい値以上の場合に前記チップの温度として前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度を優先して選択することを特徴とするパワースイッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載のパワースイッチング装置において、
前記モニタ部は、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が所定しきい値未満の場合に前記オフチップ温度検出素子の前記検出温度に連動するアナログ信号電圧を、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が所定しきい値以上の場合に前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が前記しきい値に達したことを示す所定のアナログ電圧値を、共通の信号線に重畳して外部に出力することを特徴とするパワースイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワースイッチング装置に関し、特に半導体電力スイッチング素子の過熱保護技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力スイッチング素子が形成されたチップに温度検出用のダイオ−ド（オンチップ温度検出素子）を形成し、温度変化によるダイオ−ドの電圧降下量の変化に基づいてチップ温度を検出するオンチップ温度検出技術が提案されている。
このオンチップ温度検出式の電力スイッチング素子を電気自動車やハイブリッド車の走行モータ駆動用のインバータ装置に採用する場合、このインバータ装置の電力スイッチング素子が数百Ｖといった高電源電圧を給電されるため、チップ内の絶縁確保や端子数低減のためオンチップ温度検出素子にもこの高電源電圧に基づいて形成された電源電圧が印加されることが一般的である。
【０００３】
一方、これら各温度検出回路からの出力信号を処理する制御回路は、所定の制御用電源電圧で作動するため、各電力スイッチング素子特にインバータ装置のハイサイド側の電力スイッチング素子の温度を個別に検出する各温度検出回路から制御回路への温度信号の伝送には、フォトカプラなどの電気絶縁回路を介在させていた。
【０００４】
また、特開平４−２９５２７８号公報は、インバータ回路近傍に設けたサーミスタなどの温度センサ（オフチップ温度検出素子）によりインバータ回路の素子温度を検出し、それが許容温度以上となる場合にインバータ回路の出力周波数を低下させ、その主要な発熱素子（パワースィッチング素子）の電力損失すなわち発熱量を減らすインバータ装置を提案している。この場合には上記フォトカプラなどの電気絶縁回路は当然省略することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したサーミスタ（オフチップ温度検出素子）は、電力スイッチング素子に対して電気絶縁を確保して実装されるため、両者間の熱抵抗により電力素子発熱量によって双方の温度関係が非線形に変化するという特性をもち、また、熱応答性がオンチップ温度センサに比較して遅いため、モータロック時などの電力スイッチング素子の発熱量が急増する状況下ではオフチップ温度検出素子の出力信号により電力スイッチング素子を遮断保護することが容易ではなかった。
【０００６】
一方、上記したダイオード（オンチップ温度検出素子）は、素子自体の温度検出感度（ＳＮ比）がオフチップ温度検出素子より相対的に低く、かつ、前述した高電圧動作インバータ回路に用いられる電力スイッチング素子、特にそのハイサイド側の電力スイッチング素子のオンチップ温度検出素子では制御回路への温度信号の伝送により更にＳＮ比が低下して出力信号の精度が十分でないため、電力スイッチング素子の高精度の温度制御が容易でないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電力スイッチング素子の発熱量急増状況における電力スイッチング素子の保護機能を低下させることなく、電力スイッチング素子の高精度の温度維持制御が可能なパワースイッチング装置を提供することをその解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のパワースイッチング装置は、電力スイッチング素子の温度保護、温度モニタのために、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値以上の場合にこの電力スイッチング素子の温度としてオンチップ温度検出素子の検出温度に基づいて形成した温度情報を優先して選択採用し、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値未満の場合にこの電力スイッチング素子の温度としてオフチップ温度検出素子の検出温度に連動する温度情報を優先して選択採用するので、電力スイッチング素子の高温領域で発熱量急増によりその温度が急上昇する場合にはオンチップ温度検出素子からの温度情報によりレスポンスに優れた素子の保護制御を実現でき、それ以外の場合には電力スイッチング素子の高精度の温度維持制御が可能となる。
【０００９】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載のパワースイッチング装置において更に、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値未満の場合にオフチップ温度検出素子の検出温度に連動するアナログ信号電圧を、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値以上の場合にオンチップ温度検出素子の検出温度がしきい値に達したことを示す所定のアナログ電圧値を、共通の信号線を通じて外部に出力するので、保護機能を低下することなくモニタ部へ温度情報を出力する信号線を簡素化することができる。更に説明すると、オンチップ温度検出素子の温度情報としては、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定の警戒温度値に達したかどうかの温度情報を、オフチップ温度検出素子のアナログ電圧範囲とは異なるレベルのアナログ電圧値に変換するので、上記アナログ共通信号線によりこれら両温度検出素子の出力情報を多重伝送することができる。
【００１０】
また、オンチップ温度検出素子からの温度情報は二値信号に変換されるので、オンチップ温度検出素子回路系とオフチップ温度検出素子回路系とが別の電源電圧で作動する場合において、オンチップ温度検出素子回路系からオフチップ温度検出素子回路系へ電気絶縁しつつ信号伝送することが簡素な回路で実現することができる。
【００１１】
【発明を実施するための態様】
以下、本発明の好適な態様を以下の実施例に基づいて説明する。
【００１２】
【実施例１】
本発明のパワースイッチング装置を、電気自動車又はハイブリッド自動車の走行モータを駆動制御するインバータ装置に適用した実施例について以下に説明する。
（全体構成）
実施例のインバータ装置の全体構成を図１を参照して説明する。
【００１３】
このインバータ装置は、１２０度通電制御を行う車載用三相インバータであって、５１は走行に必要な電力を供給する高電圧車載バッテリ（直流電源）、５３はインバータ装置に印加される直流電源電圧を安定化するための平滑コンデンサ、５４はインバータ装置の負荷となるモータ、６１〜６６は電力スイッチング素子で、本実施例ではＩＧＢＴを使用している。７１〜７６はフライホイールダイオ−ド（ＦＷＤ）、５５は電力スイッチング素子駆動制御用の制御信号形成回路や電力スイッチング素子の保護回路などを含むコントローラ（制御部）、８１〜８６は素子コントローラ、９１〜９６はコントローラ５５と各素子コントローラ８１〜８６とを接続する信号線である。
【００１４】
素子コントローラ８１〜８６は、それらが制御するＩＧＢＴ６１〜６６と一対ずつモジュール化されており、コントローラ５５から受け取ったゲート制御信号を電力増幅してＩＧＢＴ６１〜６６のゲ−ト電極に印加するとともに、各ＩＧＢＴ６１〜６６の電圧、電流及び温度をモニタしてその異常発生時に異常信号をコントローラ５５に出力し、更にある種類の異常状態を検出した場合に自己が制御するＩＧＢＴを一定期間、遮断（自己遮断）する。
（インバータ装置の基本動作）
本実施例の１２０度通電制御では、ＩＧＢＴ６１〜６６を断続制御することにより、ローサイドＩＧＢＴ６４〜６６はそれぞれ１２０度ずつずれてオンされ、ハイサイドＩＧＢＴ６１〜６３をＤＵＴＹ制御して疑似三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを形成してモータ５４に印加している。
（素子コントローラ内の温度検出回路の説明）
素子コントローラ８１〜８６の上記コントローラ５５から受け取ったゲート制御信号を電力増幅してＩＧＢＴ６１〜６６のゲ−ト電極に印加する構成及び動作並びに自己遮断のための回路及び動作は周知であるので、素子コントローラ８４内の温度検出を行う温度検出回路の部分について図２を参照して以下に説明する。なお、他の素子コントローラは素子コントローラ８４と同一機能を有している。
【００１５】
１００は、ＩＧＢＴ６４が形成されたチップの主面に形成されて本発明でいうオンチップ温度検出素子を構成する接合ダイオ−ド（図示せず）を含むオンチップ温度センサ（図示せず）の出力電圧Ｖｄｉｏｄｅ（オンチップ温度信号Ｔｊに相当）をしきい値電圧ＶＯＶＬと比較する比較回路である。なお、上記オンチップ温度センサは、上記接合ダイオードの順方向電圧降下の温度特性を利用したものであるが、本発明の要旨とは異なるので説明は省略する。
【００１６】
比較回路１００は、しきい値電圧ＶＯＶＬを発生する定電圧源１０１、オペアンプＯＶＣＡ、抵抗Ｒ２０５、Ｒ２０６、Ｒ２０７からなるコンパレータと、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ２０８、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３０からなるフォトカプラ入力側の増幅回路と、フォトカプラ１０２と、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ３、Ｒ５からなるフォトカプラ出力側の増幅回路とからなる。
【００１７】
オンチップ温度センサの出力電圧Ｖｄｉｏｄｅが定電圧源１０１から抵抗Ｒ２０５を通じてコンパレータＯＶＣＡに入力されるしきい値電圧ＶＯＶＬ２より大きい場合（低温時）にはコンパレータＯＶＣＡの出力はローレベルとなり、トランジスタＱ１はオフし、フォトカプラ１０２には高電圧Ｖｒｅｆが入力され、フォトカプラ１０２はトランジスタＱ２にローレベル電圧を出力してそれをオンする。
【００１８】
オンチップ温度センサの出力電圧Ｖｄｉｏｄｅがしきい値電圧ＶＯＶＬ２より低い場合（低温時）にはコンパレータＯＶＣＡの出力はハイレベルとなり、トランジスタＱ１はオンし、フォトカプラ１０２には低電圧が入力され、フォトカプラ１０２はトランジスタＱ２にハイレベル電圧を出力してそれをオフする。
２００は、ＩＧＢＴ６４が熱的過負荷であることを示すための定電圧ＶＯＬＴＣを発生する定電圧源である。
【００１９】
３００〜３０２はそれぞれのＩＧＢＴモジュール内にてＩＧＢＴのチップに近接して設けられたオフチップ温度検出センサであって、それぞれサーミスタＲｔｈＵ、ＲｔｈＶ、ＲｔｈＷと、抵抗Ｒ２４、Ｒ２５、Ｒ２６とを直列接続してなる抵抗分圧回路からなる。
４０１〜４０４は、オペアンプを利用した理想ダイオ−ド回路である。理想ダイオ−ド回路４０１は抵抗Ｒ９、Ｒ１０、ダイオードＤ３、オペアンプＵ２Ａからなり、理想ダイオ−ド回路４０２は抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、ダイオードＤ４、オペアンプＵ３Ａからなる。理想ダイオ−ド回路４０３は抵抗Ｒ１３、Ｒ１４、ダイオードＤ５、オペアンプＵ４Ａからなり、理想ダイオ−ド回路４０４は抵抗Ｒ７、Ｒ６、ダイオードＤ１、オペアンプＵ１Ａからなる。これら理想ダイオ−ド回路４０１〜４０４の出力単には抵抗Ｒ８を通じて高電圧Ｖｒｅｆが印加されるので、それらの出力端の電位Ｖｏは、各オペアンプＵ１Ａ〜Ｕ４Ａの入力電位のうち、最も低い電位のものに等しくなる。
【００２０】
５００は、スイッチングノイズを除去するローパスフィルタであって、抵抗Ｒ１９とコンデンサＣ６により構成されている。
６００は、出力バッファとしてのボルテージフォロア回路である。
なお、コンパレータＯＣＶＡの電源電圧Ｖｃｃ１はＩＧＢＴ４の駆動にも使われる制御電源電圧であって、ＩＧＢＴ６１のエミッタ電位を基準として＋１５Ｖとされている。コンパレータ２００の電源電圧ＶＣＣ２は図示しない低電圧補機電池のＧＮＤを基準とする＋１５Ｖの電圧とされる。低位電源電圧Ｖｒｅｆは、ＶＣＣ２とＧＮＤを共通にする電圧であって、＋６Ｖとされている。
【００２１】
図３に、オンチップ温度センサ、サーミスタ、ＩＧＢＴ６４、フライホイールダイオ−ド７４が実装されるモジュール内の配置状態を示す。
１０、１１はダイオード領域であって、２個並列に接続されて上記フライホイールダイオ−ド７４を構成している。１２はＩＧＢＴ６４が形成される電力スイッチング素子領域、１３は窒化アルミなどのセラミック絶縁基板、１４は絶縁基板１３の表面に固着され、ダイオ−ド１０、１１のカソードとＩＧＢＴ６４のコレクタ電極とを接続する電極、１５はサーミスタ（たとえばＲｔｈＵ）、１６、１７はサーミスタ１５を半田固定し、外部接続用の電極を接続する電極、１８は電力スイッチング素子領域１２内の温度検出用ダイオ−ドで、高温になるほど順方向電圧が下がる負の温度特性を持つ。１９、２０は同様に温度検出用ダイオ−ドの信号を外部に出力するための接続を仲介する電極である。なお、図３は、サーミスタ（オフチップ温度検出素子）が一個の例を示している。
（素子コントローラ内の温度検出回路の動作説明）
温度検出回路各部の電位変化を示す図４に示すタイミングチャートを参照して、この温度検出回路の動作を説明する。
【００２２】
時刻ｔ1 までは、素子温度Ｔｊは許容動温度範囲内にあるので、上記温度検出用ダイオ−ドの出力電圧Ｖｄｉｏｄｅは熱的過負荷判定用しきい値ＶＯＶＬ以上となっており、この時、Ｑ１がオフ、Ｑ３がオン、Ｑ２がオンとなり、オペアンプＵ１Ａの正入力端にはＶｒｅｆ相当の電圧が印加される。
時刻ｔ1 にて、インバータ負荷としてのモータがロック（拘束）状態になったとすると、ＩＧＢＴ６１〜６６には大きなロック電流が流れ、チップ特にＩＧＢＴの接合領域温度Ｔｊが急激に上昇する。温度検出用ダイオ−ド１８の検出温度はチップ温度の急変に追従して高速に変化するが、サーミスタＲｔｈＵ，ＲｔｈＶ，ＲｔｈＷの出力値ＶｔｈＵ，ＶｔｈＶ，ＶｔｈＷはゆっくりと変化する。
【００２３】
接合領域温度Ｔｊ（電力素子温度）は上昇し続け、時刻ｔ２に出力電圧Ｖｄｉｏｄｅが熱的過負荷判定レベルＶＯＶＬ２を下回ると、Ｑ１、Ｑ２が反転し、オペアンプＵ１Ａの正入力端には、オンチップ温度検出素子の検出温度が熱的過負荷判定レベルを超えたことを外部に出力するための定電圧値ＶＯＬＴＣが印加される。
【００２４】
理想ダイオ−ド回路４０１〜４０４はその出力端を共通接続されているので、この共通出力端には各オペアンプＵ１Ａ〜Ｕ４Ａの入力電圧のうちで最も低い値が出力される。
したがって、出力電圧Ｖｄｉｏｄｅが熱的過負荷判定しきい値電圧ＶＯＶＬ２より大きい場合（検出温度が熱的過負荷判定しきい値温度よりも低い場合）には、オペアンプＵ１Ａの正端子入力がＶｒｅｆとなっており、必ず各サーミスタ出力電圧ＶｔｈＵ，ＶｔｈＶ，ＶｔｈＷよりも高くなっているため、サーミスタ出力電圧ＶｔｈＵ，ＶｔｈＶ，ＶｔｈＷのうちでもっとも低い電圧、すなわち各サーミスタ検出値の中で最も高温を検出している電圧を選択して、フィルタ５００を経由した後、バッファ６００により外部にアナログ電圧信号として送出される。ＥＣＵはこの温度情報をもとに、電力素子温度が高くなってくると最大出力電流を制限するなどの出力制限制御を行う。
【００２５】
また、ＩＧＢＴ温度が熱過負荷判定しきい値温度を超えると、オペアンプＵ１Ａの正端子入力にそれを示す定電圧値ＶＯＬＴＣが入力されるため、ＶＯＬＴＣ、ＶｔｈＵ、ＶｔｈＶ、ＶｔｈＷのうちのもっとも低い電圧が検出温度電圧ＶＴＯＵＴとして外部に送られる。
この検出温度電圧ＶＴＯＵＴは外部のモータ制御用のコントローラにより受信され、受信したコントローラは、定電圧値ＶＯＬＴＣを受信すると、ただちに制御周波数を低周波に切り換え、電力素子発熱を抑制するモータのロック保護制御を開始する。
【００２６】
また、コントローラは、ＶｔｈＵ、ＶｔｈＶ、ＶｔｈＷを受信する場合でも、その値が定電圧値ＶＯＬＴＣにほぼ等しい場合には上記ロック保護制御を開始する。
（実施例効果）
以上の動作により、外部のコントローラは、サーミスタからの信号電圧をモニタするだけで、瞬時にロック保護制御を開始することが可能となり、アナログ絶縁された信号をモニタすることなく精度の高いロック保護制御が可能となる。
【００２７】
また、温度変化が緩やかな定常動作時には安価で高精度なサーミスタの信号を利用するため、高精度の温度モニタが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパワースイッチング装置を用いたインバータ装置を示す回路図である。
【図２】  図１に示す素子コントローラの温度検出回路の一例を示す回路図である。
【図３】  本発明のオンチップ温度検出素子及びオフチップ温度検出素子の配置の一例を示すパワーモジュールのセンサ配置図である。
【図４】  図２に示す回路各部の電位変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１５はサーミスタ（オフチップ温度検出素子）、１８はダイオード（オンチップ温度検出素子）、６１〜６６はＩＧＢＴ（電力スイッチング素子）、４０１〜４０４は理想ダイオ−ド回路４０３（モニタ部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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