JP2518042B2 - 半導体素子の温度検出回路 - Google Patents

半導体素子の温度検出回路

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JP2518042B2 JP7626489A JP7626489A JP2518042B2 JP 2518042 B2 JP2518042 B2 JP 2518042B2 JP 7626489 A JP7626489 A JP 7626489A JP 7626489 A JP7626489 A JP 7626489A JP 2518042 B2 JP2518042 B2 JP 2518042B2
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憲司 高坂
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力変換装置を構成している半導体スイ
ッチ素子の接合部温度を検出する回路に関する。
〔従来の技術〕
第4図は半導体素子を組合せて構成したインバータの
一般的な主回路接続図である。
この第4図において、半導体素子としてのゲートター
ンオフサイリスタ(以下ではGTOサイリスタと略記す
る)4に還流ダイオード5を逆並列接続したものを、4
組使用して単相ブリッジ接続することで、インバータ3
を形成している。図示していない制御装置からの指令に
より、4個のGTOサイリスタ4を順次オン・オフさせる
ことにより、直流電源2からの直流電力は交流電力に変
換されて、負荷6に給電できるのは周知である。
ここで用いているGTOサイリスタ4は、ゲート制御に
より主電流の導通・遮断が可能な自己消弧形半導体素子
であり、定格に定めている特性を得るためには決められ
た接合部温度の範囲内で使用することが必要である。ま
た、GTOサイリスタ4は、他の半導体素子と同様に、電
流を流すことにより損失が発生し、また、点弧,消弧の
過渡時には短時間ではあるが、大きな損失が発生する。
従って、これらの発生損失による温度上昇を、前述の決
められた接合部温度の範囲に納めるためには、何らかの
冷却装置が必要となる。
第5図は公知のGTOサイリスタの冷却系をあらわした
構成図である。
この第5図では、大容量半導体素子に多用されている
平形構造を例として示している。すなわち、GTOサイリ
スタ4のアノード電極Aにはアノード側冷却体7が、ま
たカソード電極Kにはカソード側冷却体8が直接接続さ
れており、矢印方向に冷却空気を吹付けることにより、
GTOサイリスタ4で発生した損失を、冷却体7と8を介
して周囲の大気中へ放散させるようにしている。なお、
符号9はサーモスタットなどの温度検出器である。
ところで、第4図に示した様なインバータ3におい
て、負荷6の電力が一定であるか、または運転方法があ
らかじめ決まっている装置の場合は、このGTOサイリス
タ4の最大発生損失は装置の設計時にあらかじめ判って
いるので、その損失による当該GTOサイリスタ4の温度
上昇を許容値内に納める様に冷却系を設計すればよい。
しかし、任意の負荷が接続され、また運転方法も負荷
によって大幅に変化する様な装置においては、GTOサイ
リスタ4に流れる電流が大幅に変化することになり、こ
の場合は、予想される最大の損失を想定して冷却系を設
計することになるのであるが、まれに到来する大きな損
失をも処理できる様に冷却系の設計をしたのではコスト
が上がり、不経済な装置になってしまう。
そこで、この様な場合は、常用される負荷に対応した
冷却系を設計しておき、過大負荷や誤操作などの異常時
には、GTOサイリスタ4の温度上昇が異常に大となるの
で、これを検出して装置を停止させる様にした方が経済
的である。
第6図は第5図に示す構成図におけるGTOサイリスタ
のカソード電極とカソード側冷却体との接合面をあらわ
した図である。
この第6図に示すように、カソード側冷却体8には、
GTOサイリスタ4とともにサーモスタット9を取付け
て、GTOサイリスタ4のケース温度を監視するようにし
ている。すなわち、GTOサイリスタ4が何らかの原因で
過負荷状態になり、当該GTOサイリスタ4の接合部温度
が正常動作に耐えられない値まで上昇するとき、ケース
温度もこれにつれて上昇するので、サーモスタット9が
このケース温度の異常上昇を検知して警報を発し、ある
いは装置の運転を停止させようとするものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述した従来の温度検出方法には、上
記のようにいくつかの欠点を有している。すなわち、第
1の問題点は、第5図に示した様な冷却体7と8を用い
た場合、サーモスタット9は、冷却体7,8のフィン部分
にしか取付ける場所がなく、GTOサイリスタ4のケース
からの距離が長くなり、正確なGTOサイリスタ4の温度
監視が出来ないため、確実な保護が困難であった。第2
の問題点は、GTOサイリスタ4の冷却体7,8の熱時定数よ
り短い時間のパルス状の大きな負荷が印加された場合、
当該GTOサイリスタ4の実際の接合部温度と、第5図に
示したサーモスタット9取付け位置での温度とでは、時
間的な遅れがあるために、正確な温度監視が出来ず、従
って確実な保護を行うことは困難であった。
このような上記2つの問題点のために、GTOサイリス
タ4はその温度限界まで有効利用することができなく、
そのために装置が大形になり、コストが高くなる欠点が
あった。
そこでこの発明の目的は、発生損失を放散させる冷却
体を付属している半導体素子の接合部温度を正確・迅速
に検知することにより、当該半導体素子を確実に保護し
ようとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために、この発明の温度検出回
路は、電力変換を行う半導体素子と、この半導体素子で
発生する損失を放散させる冷却体とで構成している装置
において、前記半導体素子の損失特性と、この半導体素
子に通流する電流、ならびにアノード・カソード間電圧
とを入力して、当該半導体素子のターンオン時損失を演
算するターンオン損失演算手段と、前記の損失特性と通
流電流ならびにアノード・カソード間電圧とを入力し
て、当該半導体素子のターンオフ時損失を演算するター
ンオフ損失演算手段と、前記の損失特性ならびに通流電
流を入力して、当該半導体素子の定常時損失を演算する
定常損失演算手段と、これらターンオン時損失、ターン
オフ時損失、ならびに定常時損失を加算する加算手段
と、この加算演算結果から当該半導体素子の接合部温度
を演算する接合部温度演算手段とを備えるものとする。
〔作用〕
この発明は、あらかじめ求められている半導体素子の
損失特性と冷却系の特性、ならびに当該半導体素子の通
流電流とアノード・カソード間電圧の実際値から、この
半導体素子の接合部温度の瞬時値を演算することで、定
常状態・過渡状態のいずれの場合でも正確な接合部温度
を迅速に把握できることから、確実な保護を行うもので
ある。
〔実施例〕
第1図は本発明の実施例をあらわしたブロック図であ
る。
第4図に示すインバータ3を構成している半導体素子
としてのGTOサイリスタ4は、オン・オフ動作により電
力の変換を行うのであるが、このときの当該GTOサイリ
スタ4に発生する損失として、オフ状態からオン状態に
移行するときに発生するターンオン損失と、オン状態で
定常運転中に発生する定常損失と、オン状態からオフ状
態に移行する際に発生するターンオフ損失とに分かれ
る。
第1図において、11はGTOサイリスタ4のターンオン
時の損失を演算するターンオン損失演算回路であり、あ
らかじめ与えられた当該GTOサイリスタ4の特性データ
から、これに通流するアノード電流IAおよびアノード・
カソード間電圧VAKに対するターンオン損失の関係を記
憶させておき、このGTOサイリスタ4のアノード電流IA
及びアノード・カソード間電圧VAKに対応したターンオ
ン損失を出力する機能を持たせてある。
12はGTOサイリスタ4のターンオフ時の損失を演算す
るターンオフ損失演算回路であり、あらかじめ与えられ
た当該GTOサイリスタ4の特性データから、これに通流
するアノード電流IA及びアノード・カソード間電圧VAK
に対するターンオフ損失の関係を記憶させておき、この
GTOサイリスタ4のアノード電流IA及びアノード・カソ
ード間電圧VAKに対応したターンオフ損失を出力する機
能を持たせてある。
13はGTOサイリスタ4の定常時の損失を演算する定常
損失演算回路であり、あらかじめ与えられたGTOサイリ
スタ4の特定データから、これに通流するアノード電流
IAに対する定常損失の関係を記憶させておき、このGTO
サイリスタ4のアノード電流IAに対応した定常損失を出
力する機能を持たせてある。
14は加算器であって、ターンオン損失演算回路11、タ
ーンオフ損失演算回路12、および定常損失演算回路13で
それぞれ演算された損失を相互に加算することで、この
GTOサイリスタ4がオン・オフ動作するときに発生する
損失の総和を求めている。
15は、加算器14で演算されたGTOサイリスタ4の発生
損失から、このGTOサイリスタ4の接合部温度を演算す
る接合部温度演算回路であり、冷却系の熱時定数に等し
い時定数を持つ1次遅れフィルタで構成されており、そ
の出力は、当該GTOサイリスタ4の接合部温度に相当す
る。
16は、上述した接合部温度演算回路15の出力として得
られるGTOサイリスタ4の接合部温度が、動作可能最大
値に達したことを検出するためのコンパレータである。
これは、このコンパレータ16の内部にあらかじめ設定さ
れたGTOサイリスタ4の接合部温度の動作可能最大値
と、接合部温度演算回路15の出力として得られるGTOサ
イリスタ4の接合部温度の実際値とを比較して、この温
度実際値が上述の設定値を超えた場合、出力の論理信号
が反転する様に構成している。それ故、もし、GTOサイ
リスタ4が過負荷になり、コンパレータ16の論理出力が
反転した場合は、図示してない保護回路により、装置の
運転はすみやかに停止となって、過負荷により破損する
おそれを防止している。
第2図はGTOサイリスタを通流するアノード電流I
Aと、アノード・カソード間電圧VAKを示した図である。
第3図はGTOサイリスタが損失を発生するタイミング
を示した波形図であって、第3図(イ)はGTOサイリス
タのアノード電流IAと、アノード・カソード間電圧VAK
の時間的な変化、第3図(ロ)はGTOサイリスタに発生
する損失の時間的変化をそれぞれがあらわしている。
この第3図において、T1はオフ状態にあるGTOサイリ
スタ4がターンオンを開始する時点、T2はターンオン完
了時点、T3はオン状態にあるGTOサイリスタ4がターン
オフを開始する時点、T4はターンオフ終了時点である。
それ故T1からT2までがターンオン損失を発生する期間、
T2からT3までが定常損失を発生する期間であり、T3から
T4までがターンオフ損失を発生する期間である。
〔発明の効果〕
この発明によれば、半導体素子がターンオンする際に
発生する損失と、ターンオフする際に発生する損失、な
らびに定常運転中に発生する損失とを、それぞれ当該半
導体素子に固有の特性データの、通流するアノード電流
値およびアノード・カソード間電圧値から別個に演算
し、これら各損失の和から当該半導体素子の接合部温度
の瞬時値を演算できるように回路を構成しているので、
損失発生時点から接合部温度を検知するにあたって、従
来方法では存在していた検出の時間遅れを解消してい
る。従って、冷却体の熱時定数よりも短い期間のパルス
状負荷に対しても、直ちにその温度を正確に検出できる
ので、半導体素子をの定格を切下げて使用したり、大き
な冷却体を使用したりする無駄を排除でき、装置を小形
化できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例をあらわしたブロック図、第2
図はGTOサイリスタを通流するアノード電流IAと、アノ
ード・カソード間電圧VAKを示した図、第3図はGTOサイ
リスタが損失を発生するタイミングを示した波形図であ
り、第4図半導体素子を組合せて構成したインバータの
一般的な主回路接続図、第5図は公知のGTOサイリスタ
の冷却系をあらわした構成図、第6図は第5図に示す構
成図におけるGTOサイリスタのカソード電極とカソード
側冷却体との接合面をあらわした図である。 2……直流電源、3……インバータ、4……半導体素子
としてのGTOサイリスタ、5……還流ダイオード、6…
…負荷、7……アノード側冷却体、8……カソード側冷
却体、9……サーモスタット、11……ターンオン損失演
算回路、12……ターンオフ損失演算回路、13……定常損
失演算回路、14……加算器、15……接合部温度演算回
路、16……コンパレータ。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電力変換を行う半導体素子と、この半導体
    素子で発生する損失を放散させる冷却体とで構成してい
    る装置において、前記半導体素子の損失特性と、この半
    導体素子に通流する電流、ならびにアノード・カソード
    間電圧とを入力して、当該半導体素子のターンオン時損
    失を演算するターンオン損失演算手段と、前記の損失特
    性と通流電流ならびにアノード・カソード間電圧とを入
    力して、当該半導体素子のターンオフ時損失を演算する
    ターンオフ損失演算手段と、前記の損失特性ならびに通
    流電流を入力して、当該半導体素子の定常時損失を演算
    する定常演算手段と、これらターンオン時損失、ターン
    オフ時損失、ならびに定常時損失を加算する加算手段
    と、この加算演算結果から当該半導体素子の接合部温度
    を演算する接合部温度演算手段とを備えていることを特
    徴とする半導体素子の温度検出回路。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の温度検出回路
    において、前記接合部温度演算手段は、前記半導体素子
    とその冷却体との熱時定数に等しい時定数を有する1次
    遅れフィルタで構成することを特徴とする半導体素子の
    温度検出回路。
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