JP3827118B2 - パワー電子回路装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー電子回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータ制御用インバータ回路などに用いられる半導体スイッチング素子は大電流スイッチングにより温度が上昇して接合が破壊される可能性があり、その通電電流を予め決められた電流制限値以下に制限して用いられる。
ただ、素子温度は素子が放熱すべき外気温度などの放熱条件により大きく変化するので、素子近傍に温度センサを設けて素子近傍温度を検出し、この素子近傍温度が許容最高温度Tmaxを超えないように電流制限を行うことが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した素子近傍温度制御型電流制限を行うパワー電子回路装置において、温度センサをできるだけチップに近接して設けても、温度センサが検出する素子近傍温度は半導体スイッチング素子チップの接合温度Ｔｊと相違するので、使用条件によってはまだ余裕があるにもかかわらず、電流制限を行ってしまい、性能の低下を招くという不具合が生じた。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、素子安全性を低下させることなく、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができるパワー電子回路装置を提供することを、その解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の構成は、電力断続用の半導体スイッチング素子が形成された半導体チップが金属ブロックに固定されてなる合計６個のパワーモジュールと、前記各パワーモジュールの金属ブロックが絶縁フィルムを介してそれぞれ固定される金属製のベースプレートと、前記各半導体チップに個別に近接して前記各金属ブロックに個別に固定されて前記各半導体チップ近傍の温度を個別に検出する合計６個の温度センサと、前記半導体スイッチング素子の電流に関連する状態量を検出する検出手段と、前記各温度及び前記状態の両方に基づいて前記半導体スイッチング素子の電流を制限する電流制限手段とを備え、三相インバータ回路をなすことを特徴とするパワー電子回路装置である。
本構成では、各温度センサが検出する各半導体スイッチング素子近傍温度と、半導体スイッチング素子の電流に関連する状態量とに基づいて、半導体スイッチング素子の電流制限を実施する。
【０００６】
このようにすれば、従来技術に比較して、各半導体スイッチング素子の安全性をそれぞれ確保しつつ、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができる。
【０００７】
これにより、請求項１記載の作用効果を一層向上することができる。
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の構成において更に電流制限手段は、検出する温度及び電流と半導体チップの接合温度Ｔｊとの関係を予め記憶しておき、検出した温度とこの関係とから電流の許容最大値を求め、検出した電流を許容最大値以下に制限する。
【０００８】
このようにすれば、すばやくかつ高精度に請求項１記載の作用効果を実現することができる。
【０００９】
【発明を実施するための態様】
パワーモジュールの金属ブロックは外気に直接放熱したり、冷却部材を通じて外気に間接的に放熱したりすることができる。
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。
【００１０】
【実施例１】
本発明のパワー電子回路装置の一実施例を図１を参照して以下に説明する。
このパワー電子回路装置１は、車両空調用モータ制御装置であって、図示しない車載バッテリからの直流電力を断続して三相交流電力を形成し、空調装置のコンプレッサ駆動用モータＭに供給する三相インバータ回路２と、三相インバータ回路２に制御電圧を印加するゲートコントローラ３と、入力信号に基づいてゲートコントローラ３を制御する空調モータ制御用コントローラ４とからなる。５は三相インバータ回路２内に設けられた温度センサであり、６は三相インバータ回路２の出力電流を検出する電流センサである。温度センサ５は後述するように三相インバータ回路２内の素子近傍温度を検出するためのものであり、電流センサ６は、三相インバータ回路２の出力電流を検出して空調モータ制御用コントローラ４に出力する。これら三相インバータ回路２、ゲートコントローラ３、空調モータ制御用コントローラ４、温度センサ５及び電流センサ６は図２に示すケース７に密閉されている。
【００１１】
三相インバータ回路２は、従来のものとまったく同じ回路構成を有し、合計６個のＩＧＢＴチップ２１２及びこれらＩＧＢＴチップ２１２と逆並列接続されたダイオード（図示せず）とからなり、３つのＩＧＢＴチップ２１２が上アームを構成し、３つのＩＧＢＴチップ２１２が下アームを構成する。ただし、図２ではこれら各ＩＧＢＴチップ２１２を収容したＩＧＢＴモジュール２１を略示する。
【００１２】
ケ−ス７は、図２に示すように、アルミダイキャストで作製されたベースプレート７１と、ベースプレート７１に固定された角箱状のアルミカバー７２とからなる。ベースプレート７１は外側に互いに平行な多数の冷却フィン７３を有しており、各冷却フィン７３はエンジンルーム内にて車体の前後方向へ延設されている。
【００１３】
ＩＧＢＴモジュール２１はヒートシンクをなす金属ブロック２１１上にＩＧＢＴチップ２１２をマウントした構造を有しており、金属ブロック２１１の底面はベースプレート７１の上面に絶縁フィルムを介して固定されている。更に、金属ブロック２１１上には温度センサ５が設けられており、結局、三相インバータ回路２は合計６個の温度センサ５を内蔵している。
【００１４】
一つのＩＧＢＴチップ２１２の放熱系について以下に説明する。
ベースプレート７１の熱抵抗、金属ブロック２１１と温度センサ５との間の接触部位の熱抵抗は小さいので、無視するものとするとし、ＩＧＢＴチップ２１２の接合温度をＴｊ、温度センサ５が検出する素子近傍温度をＴｓ、ＩＧＢＴチップ２１２の接合から温度センサ５までの熱抵抗をｒ、上記接合での発熱量をＱとすれば、
Ｔｊ＝Ｑ×ｒ＋Ｔｓとなり、
発熱量Ｑを素子全体の電力損失Ｐとみなせば、電力損失ＰはＩＧＢＴチップ２１２に流れる電流Ｉの関数（ほぼＩの二乗値に比例する値）であるので、電流変化が緩慢とし、接合から温度センサ５までの熱伝達の時間遅れを無視すれば、接合温度Ｔｊは電流Ｉの変化に対して図３に示すようになる。
【００１５】
なお、図３において、接合温度Ｔｊの特性線Ａは素子近傍温度ＴｓがＴｓ１の場合を示し、接合温度Ｔｊの特性線Ｂは素子近傍温度ＴｓがＴｓ１より高いＴｓ２の場合を示す。
接合温度Ｔｊの許容最高温度Ｔｍａｘを１２５℃とすれば、素子近傍温度ＴｓがＴｓ１の場合には流し得る電流Ｉの最大値Ｉｐｍａｘが図３のグラフからわかる。
【００１６】
図３の特性に基づいて電流制限を行う空調モータ制御用コントローラ１３の制御動作を図４を参照して説明する。
まず、空調熱負荷に基づいてコンプレッサの回転数を決定し、その回転数での運転をゲートコントローラ３に指令する（ｓ１００）。
次に、電流センサ６から三相インバータ回路２の出力電流Ｉを読み込んでその平均値を算出し（ｓ１０２）、温度センサ５から素子近傍温度Ｔｓを読み込む（ｓ１０４）。
【００１７】
次に、読み込んだ平均出力電流Ｉ及び素子近傍温度Ｔｓに基づいて、内蔵マップまたは上述の計算式から接合温度Ｔｊを算出し（ｓ１０６）、算出した接合温度Ｔｊが１２５℃未満かどうかを調べ（ｓ１０８）、未満であれば、ｓ１００で設定した回転数での運転をゲートコントローラ３に指令し（ｓ１１０）、以上であれば、前記設定回転数より所定値だけ低い回転数での運転をゲートコントローラ３に指令して、ｓ１００にリターンする。
【００１８】
このようにすれば、出力電流Ｉ及び素子近傍温度Ｔｓに基づいて推定した接合温度Ｔｊが許容最高温度Ｔｍａｘを超えないように電流制限を行うので、素子安全性を低下させることなく、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができる。
【００１９】
【実施例２】
本発明の車載パワー電子回路装置の他実施例を図９を参照して以下に説明する。
この実施例は、実施例１における制御フローチャートのｓ１００及びｓ１０６以降を変更したものであるので、変更点だけを説明する。
【００２０】
ｓ１００では、車室温度と目標温度との差に基づいて算出される空調熱負荷に基づいて三相インバータ回路２のデューティ比を設定する。なお、空調モータ制御用コントローラ４は、車室温度と目標温度との差とデューティ比との関係を予め記憶しているものとする。
ｓ２０６では、読み込んだ素子近傍温度Ｔｓと、予め内蔵するマップ（図３参照）またはそれに対応する計算式から電流Ｉの許容最大値Ｉｍａｘを求め、次に、ｓ１０２で検出した電流Ｉがこの許容最大値Ｉｍａｘより大きいかどうかを調べ（ｓ２０８）、以上であれば、三相インバータ回路２のデューティ比を所定量低下させ（ｓ２１０）、未満であれば、三相インバータ回路２のデューティ比をｓ１００で設定した設定デューティ比の範囲内で所定量増加させる（ｓ２１２）。
【００２１】
このようにすれば、実施例１と同じ作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパワー電子回路装置の一実施例を示すブロック回路図である。
【図２】 図１に示すパワー電子回路装置１の一部断面図である。
【図３】 ＩＧＢＴモジュール２１の接合温度Ｔｊと電流Ｉと素子近傍温度Ｔｓとの関係を示すグラフである。
【図４】 空調モータ制御用コントローラ４の制御動作を示すフローチャートである。
【図５】 他の実施例における空調モータ制御用コントローラ４の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
４は空調モータ制御用コントローラ（特に、そのｓ１１０、ｓ２１０は電流制限手段）、５は温度センサ、６は電流センサ（検出手段）、２１１は金属ブロック、２１２はＩＧＢＴチップ（半導体スイッチング素子が形成された半導体チップ）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー電子回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータ制御用インバータ回路などに用いられる半導体スイッチング素子は大電流スイッチングにより温度が上昇して接合が破壊される可能性があり、その通電電流を予め決められた電流制限値以下に制限して用いられる。
ただ、素子温度は素子が放熱すべき外気温度などの放熱条件により大きく変化するので、素子近傍に温度センサを設けて素子近傍温度を検出し、この素子近傍温度が許容最高温度Tmaxを超えないように電流制限を行うことが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した素子近傍温度制御型電流制限を行うパワー電子回路装置において、温度センサをできるだけチップに近接して設けても、温度センサが検出する素子近傍温度は半導体スイッチング素子チップの接合温度Ｔｊと相違するので、使用条件によってはまだ余裕があるにもかかわらず、電流制限を行ってしまい、性能の低下を招くという不具合が生じた。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、素子安全性を低下させることなく、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができるパワー電子回路装置を提供することを、その解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の構成は、電力断続用の半導体スイッチング素子が形成された半導体チップが金属ブロックに固定されてなる合計６個のパワーモジュールと、前記各パワーモジュールの金属ブロックが絶縁フィルムを介してそれぞれ固定される金属製のベースプレートと、前記各半導体チップに個別に近接して前記各金属ブロックに個別に固定されて前記各半導体チップ近傍の温度を個別に検出する合計６個の温度センサと、前記半導体スイッチング素子の電流に関連する状態量を検出する検出手段と、前記各温度及び前記状態の両方に基づいて前記半導体スイッチング素子の電流を制限する電流制限手段とを備え、三相インバータ回路をなすことを特徴とするパワー電子回路装置である。
本構成では、各温度センサが検出する各半導体スイッチング素子近傍温度と、半導体スイッチング素子の電流に関連する状態量とに基づいて、半導体スイッチング素子の電流制限を実施する。
【０００６】
このようにすれば、従来技術に比較して、各半導体スイッチング素子の安全性をそれぞれ確保しつつ、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができる。
【０００７】
これにより、請求項１記載の作用効果を一層向上することができる。
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の構成において更に電流制限手段は、検出する温度及び電流と半導体チップの接合温度Ｔｊとの関係を予め記憶しておき、検出した温度とこの関係とから電流の許容最大値を求め、検出した電流を許容最大値以下に制限する。
【０００８】
このようにすれば、すばやくかつ高精度に請求項１記載の作用効果を実現することができる。
【０００９】
【発明を実施するための態様】
パワーモジュールの金属ブロックは外気に直接放熱したり、冷却部材を通じて外気に間接的に放熱したりすることができる。
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。
【００１０】
【実施例１】
本発明のパワー電子回路装置の一実施例を図１を参照して以下に説明する。
このパワー電子回路装置１は、車両空調用モータ制御装置であって、図示しない車載バッテリからの直流電力を断続して三相交流電力を形成し、空調装置のコンプレッサ駆動用モータＭに供給する三相インバータ回路２と、三相インバータ回路２に制御電圧を印加するゲートコントローラ３と、入力信号に基づいてゲートコントローラ３を制御する空調モータ制御用コントローラ４とからなる。５は三相インバータ回路２内に設けられた温度センサであり、６は三相インバータ回路２の出力電流を検出する電流センサである。温度センサ５は後述するように三相インバータ回路２内の素子近傍温度を検出するためのものであり、電流センサ６は、三相インバータ回路２の出力電流を検出して空調モータ制御用コントローラ４に出力する。これら三相インバータ回路２、ゲートコントローラ３、空調モータ制御用コントローラ４、温度センサ５及び電流センサ６は図２に示すケース７に密閉されている。
【００１１】
三相インバータ回路２は、従来のものとまったく同じ回路構成を有し、合計６個のＩＧＢＴチップ２１２及びこれらＩＧＢＴチップ２１２と逆並列接続されたダイオード（図示せず）とからなり、３つのＩＧＢＴチップ２１２が上アームを構成し、３つのＩＧＢＴチップ２１２が下アームを構成する。ただし、図２ではこれら各ＩＧＢＴチップ２１２を収容したＩＧＢＴモジュール２１を略示する。
【００１２】
ケ−ス７は、図２に示すように、アルミダイキャストで作製されたベースプレート７１と、ベースプレート７１に固定された角箱状のアルミカバー７２とからなる。ベースプレート７１は外側に互いに平行な多数の冷却フィン７３を有しており、各冷却フィン７３はエンジンルーム内にて車体の前後方向へ延設されている。
【００１３】
ＩＧＢＴモジュール２１はヒートシンクをなす金属ブロック２１１上にＩＧＢＴチップ２１２をマウントした構造を有しており、金属ブロック２１１の底面はベースプレート７１の上面に絶縁フィルムを介して固定されている。更に、金属ブロック２１１上には温度センサ５が設けられており、結局、三相インバータ回路２は合計６個の温度センサ５を内蔵している。
【００１４】
一つのＩＧＢＴチップ２１２の放熱系について以下に説明する。
ベースプレート７１の熱抵抗、金属ブロック２１１と温度センサ５との間の接触部位の熱抵抗は小さいので、無視するものとするとし、ＩＧＢＴチップ２１２の接合温度をＴｊ、温度センサ５が検出する素子近傍温度をＴｓ、ＩＧＢＴチップ２１２の接合から温度センサ５までの熱抵抗をｒ、上記接合での発熱量をＱとすれば、
Ｔｊ＝Ｑ×ｒ＋Ｔｓとなり、
発熱量Ｑを素子全体の電力損失Ｐとみなせば、電力損失ＰはＩＧＢＴチップ２１２に流れる電流Ｉの関数（ほぼＩの二乗値に比例する値）であるので、電流変化が緩慢とし、接合から温度センサ５までの熱伝達の時間遅れを無視すれば、接合温度Ｔｊは電流Ｉの変化に対して図３に示すようになる。
【００１５】
なお、図３において、接合温度Ｔｊの特性線Ａは素子近傍温度ＴｓがＴｓ１の場合を示し、接合温度Ｔｊの特性線Ｂは素子近傍温度ＴｓがＴｓ１より高いＴｓ２の場合を示す。
接合温度Ｔｊの許容最高温度Ｔｍａｘを１２５℃とすれば、素子近傍温度ＴｓがＴｓ１の場合には流し得る電流Ｉの最大値Ｉｐｍａｘが図３のグラフからわかる。
【００１６】
図３の特性に基づいて電流制限を行う空調モータ制御用コントローラ１３の制御動作を図４を参照して説明する。
まず、空調熱負荷に基づいてコンプレッサの回転数を決定し、その回転数での運転をゲートコントローラ３に指令する（ｓ１００）。
次に、電流センサ６から三相インバータ回路２の出力電流Ｉを読み込んでその平均値を算出し（ｓ１０２）、温度センサ５から素子近傍温度Ｔｓを読み込む（ｓ１０４）。
【００１７】
次に、読み込んだ平均出力電流Ｉ及び素子近傍温度Ｔｓに基づいて、内蔵マップまたは上述の計算式から接合温度Ｔｊを算出し（ｓ１０６）、算出した接合温度Ｔｊが１２５℃未満かどうかを調べ（ｓ１０８）、未満であれば、ｓ１００で設定した回転数での運転をゲートコントローラ３に指令し（ｓ１１０）、以上であれば、前記設定回転数より所定値だけ低い回転数での運転をゲートコントローラ３に指令して、ｓ１００にリターンする。
【００１８】
このようにすれば、出力電流Ｉ及び素子近傍温度Ｔｓに基づいて推定した接合温度Ｔｊが許容最高温度Ｔｍａｘを超えないように電流制限を行うので、素子安全性を低下させることなく、装置構造の複雑化を招くことなく、出力電流の増大を実現することができる。
【００１９】
【実施例２】
本発明の車載パワー電子回路装置の他実施例を図９を参照して以下に説明する。
この実施例は、実施例１における制御フローチャートのｓ１００及びｓ１０６以降を変更したものであるので、変更点だけを説明する。
【００２０】
ｓ１００では、車室温度と目標温度との差に基づいて算出される空調熱負荷に基づいて三相インバータ回路２のデューティ比を設定する。なお、空調モータ制御用コントローラ４は、車室温度と目標温度との差とデューティ比との関係を予め記憶しているものとする。
ｓ２０６では、読み込んだ素子近傍温度Ｔｓと、予め内蔵するマップ（図３参照）またはそれに対応する計算式から電流Ｉの許容最大値Ｉｍａｘを求め、次に、ｓ１０２で検出した電流Ｉがこの許容最大値Ｉｍａｘより大きいかどうかを調べ（ｓ２０８）、以上であれば、三相インバータ回路２のデューティ比を所定量低下させ（ｓ２１０）、未満であれば、三相インバータ回路２のデューティ比をｓ１００で設定した設定デューティ比の範囲内で所定量増加させる（ｓ２１２）。
【００２１】
このようにすれば、実施例１と同じ作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパワー電子回路装置の一実施例を示すブロック回路図である。
【図２】 図１に示すパワー電子回路装置１の一部断面図である。
【図３】 ＩＧＢＴモジュール２１の接合温度Ｔｊと電流Ｉと素子近傍温度Ｔｓとの関係を示すグラフである。
【図４】 空調モータ制御用コントローラ４の制御動作を示すフローチャートである。
【図５】 他の実施例における空調モータ制御用コントローラ４の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
４は空調モータ制御用コントローラ（特に、そのｓ１１０、ｓ２１０は電流制限手段）、５は温度センサ、６は電流センサ（検出手段）、２１１は金属ブロック、２１２はＩＧＢＴチップ（半導体スイッチング素子が形成された半導体チップ）。
Claims (3)
- 電力断続用の半導体スイッチング素子が形成された半導体チップが金属ブロックに固定されてなる合計６個のパワーモジュールと、
前記各パワーモジュールの金属ブロックが絶縁フィルムを介してそれぞれ固定される金属製のベースプレートと、
前記各半導体チップに個別に近接して前記各金属ブロックに個別に固定されて前記各半導体チップ近傍の温度を個別に検出する合計６個の温度センサと、
前記半導体スイッチング素子の電流に関連する状態量を検出する検出手段と、
前記各温度及び前記状態の両方に基づいて前記半導体スイッチング素子の電流を制限する電流制限手段と、
を備え、
三相インバータ回路をなすことを特徴とするパワー電子回路装置。 - 請求項１記載のパワー電子回路装置において、
前記電流制限手段は、前記温度及び状態量に基づいて求めた前記半導体チップの接合温度Ｔｊが所定の許容最高温度Ｔmax以下となる範囲に前記電流制限を行うことを特徴とするパワー電子回路装置。 - 請求項１記載のパワー電子回路装置において、
前記電流制限手段は、検出した前記温度及び電流と前記半導体チップの接合温度Ｔｊとの関係を記憶し、前記温度と前記関係とから前記電流の許容最大値を求め、検出した電流を前記許容最大値に制限することを特徴とするパワー電子回路装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06018198A JP3827118B2 (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | パワー電子回路装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06018198A JP3827118B2 (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | パワー電子回路装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11262241A JPH11262241A (ja) | 1999-09-24 |
| JP3827118B2 true JP3827118B2 (ja) | 2006-09-27 |
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ID=13134742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP06018198A Expired - Fee Related JP3827118B2 (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | パワー電子回路装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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1998
- 1998-03-11 JP JP06018198A patent/JP3827118B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11262241A (ja) | 1999-09-24 |
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