JP4340890B2 - 発熱検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体チップのような発熱素子の発熱状況を検出可能な発熱検出装置に関する。

例えば、特許文献１には、半導体チップとサーマルダイオードとを有する発熱検出装置が紹介されている。通電時のジュール熱により、半導体チップは発熱する。ここで、半導体チップ中央部よりも、半導体チップ周縁部の方が、拡散熱抵抗が小さい。このため、半導体チップの温度分布は、半導体チップ中央部を最高温度部分とする等高線状になる。半導体チップを過熱による損傷から保護するためには、当該最高温度部分の発熱状況を検出する必要がある。この点に鑑み、サーマルダイオードは、半導体チップの中央部に配置されている。
特開平１０−１１６９８７号公報

しかしながら、同文献記載の発熱検出装置によると、半導体チップを冷却するための流体に温度勾配がある場合、半導体チップの最高温度部分の発熱状況を検出しにくい。図７に、従来の発熱検出装置の半導体チップを、流体により冷却する場合の模式図を示す。図７（ａ）に示すように、発熱検出装置１００は、半導体チップ１０１とサーマルダイオード１０２とを備えている。サーマルダイオード１０２は、半導体チップ１０１の中央部に配置されている。流体は、図中矢印で示すように、上流側から下流側に向かって流れ、半導体チップ１０１を冷却する。図７（ｂ）に示すように、半導体チップ１０１の発熱（単位時間あたりの発熱量）は、半導体チップ１０１全面に亘り略均等である。図７（ｃ）に示すように、半導体チップ中央部よりも、半導体チップ周縁部の方が、拡散熱抵抗が小さい。

ここで、図７（ｄ）に示すように、流体の温度は、流体の流れ方向において、均等ではない。流体の温度は、上流側から下流側に向かって、徐々に高くなる。このため、冷却効率は、上流側から下流側に向かって、徐々に低下する。したがって、図７（ｅ）に示すように、半導体チップ１０１の温度分布における最高温度部分Ｔ’は、流体の流れ方向における半導体チップ１０１の中央Ｍ’よりも、距離Ｌ’分だけ、下流側にずれてしまう。このため、サーマルダイオード１０２の位置と最高温度部分Ｔ’とがずれてしまう。したがって、サーマルダイオード１０２は、半導体チップ１０１の最高温度部分の発熱状況を検出しにくくなる。

本発明の発熱検出装置は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、流体に温度勾配がある場合でも、発熱素子の高温部分の発熱状況を検出可能な発熱検出装置を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の発熱検出装置は、通電により発熱し液体の流体により冷却される発熱素子と、該発熱素子に配置され該発熱素子の発熱状況を検出する少なくとも一つの感温素子と、を備えてなる発熱検出装置であって、前記流体の流れ方向において、少なくとも一つの前記感温素子の中央は、前記発熱素子の中央よりも下流側となるように前記発熱素子に配置され、少なくとも一つの前記感温素子は、前記発熱素子の温度分布における最高温度部分に配置されていることを特徴とする。

前述したように、発熱素子の最高温度部分は、発熱素子の中央よりも下流側にずれる（図７（ｅ）参照）。そこで、流体の流れ方向において、本発明の発熱検出装置の感温素子のうち、少なくとも一つの感温素子の中央は、発熱素子の中央よりも下流側に配置されている。

本発明の発熱検出装置によると、感温素子の中央は発熱素子の中央よりも下流側となるよう発熱素子に配置されているので最高温度部分が的確に検出できるとともに、感温素子と最高温度部分との位置ずれを、小さくすることができる。このため、流体の流れ方向において、発熱素子の中央よりも高温部分（最高温度部分に限定されない）の発熱状況を、検出することができる。

また、少なくとも一つの前記感温素子は、前記発熱素子の温度分布における最高温度部分に配置されている構成とする。本構成は、少なくとも一つの感温素子と、発熱素子の最高温度部分と位置ずれを、ゼロにするものである。本構成によると、感温素子により、最高温度部分の発熱状況を検出することができる。

（２）好ましくは、前記発熱素子は、半導体チップである構成とする方がよい。本構成によると、過熱による不具合から、半導体チップを保護することができる。

（３）好ましくは、前記流体は、冷却管の内部に区画された冷却通路を流れ、前記発熱素子は、該冷却管の管壁を介して、該流体により冷却される構成とする方がよい。本構成によると、発熱素子と流体とが、冷却管の管壁により隔離されている。このため、流体が発熱素子に接触する場合と比較して、流体に乱流などが発生しにくい。つまり、流体の流れを把握、制御しやすい。このため、感温素子の位置設定が比較的容易になる。

（４）好ましくは、前記感温素子は、サーマルダイオードである構成とする方がよい。サーマルダイオードの順方向電圧は、温度によって変化する。具体的には、同じ順方向電流を流した場合、温度が高い方が、より順方向電圧が小さくなる。この順方向電圧から、発熱素子の発熱状況を検出することができる。本構成によると、比較的簡単に発熱素子の発熱状況を検出することができる。

本発明によると、流体に温度勾配がある場合でも、発熱素子の高温部分の発熱状況を検出可能な発熱検出装置を提供することができる。

以下、本発明の発熱検出装置を、パワースタックのスイッチングモジュールとして具現化した実施の形態について説明する。

まず、本実施形態のスイッチングモジュールを有するパワースタックの構成について説明する。図１に、本実施形態のスイッチングモジュールを有するパワースタックの分解斜視図を示す。図２に、同パワースタックの合体斜視図を示す。図３に、本実施形態のスイッチングモジュールの分解斜視図を示す。図４に、同パワースタックの断面図を示す。

これらの図に示すように、パワースタック１は、冷却チューブ２と導入管４と導出管５とスイッチングモジュール６とを備えている。冷却チューブ２は、本発明の冷却管に含まれる。スイッチングモジュール６は、本発明の発熱検出装置に含まれる。

冷却チューブ２は、アルミニウム製であって、長さ方向両端部が丸い扁平角筒状を呈している。冷却チューブ２の長さ方向両端部には、導入口２０と導出口２１とが開設されている。これら導入口２０と導出口２１とは、冷却チューブ２内部に形成された冷却通路２２により連通している。冷却通路２２には、冷却通路２２の長さ方向に沿って、冷却フィン（図略）が配置されている。冷却チューブ２は、合計十枚、互いに略平行に配置されている。隣り合う冷却チューブ２同士の間には、冷却チューブ２の長さ方向に沿って二個ずつ、スイッチングモジュール６が介装されている。

スイッチングモジュール６は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）６ａ（図３において点線で示す）とフライホイルダイオード６ｂ（図３において点線で示す）と電極端子６ｃと信号端子６ｄと絶縁板６ｅと樹脂モールド６ｆとを備えている。ＩＧＢＴ６ａは、本発明の半導体チップに含まれる。ＩＧＢＴ６ａには、サーマルダイオード（図略）が配置されている。サーマルダイオードについては、後で詳しく説明する。スイッチングモジュール６は、図示しないＭＧ（Ｍｏｔｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の駆動用として用いられている。樹脂モールド６ｆは、絶縁樹脂製であって、扁平の矩形板状を呈している。ＩＧＢＴ６ａとフライホイルダイオード６ｂとは、樹脂モールド６ｆ内部に封入されている。電極端子６ｃは、銅製であって短冊状を呈している。電極端子６ｃは、樹脂モールド６ｆの上面から、突設されている。電極端子６ｃは、合計二つ配置されている。信号端子６ｄは、銅製であってピン状を呈している。信号端子６ｄは、樹脂モールド６ｆの下面から、突設されている。信号端子６ｄは、合計五つ配置されている。信号端子６ｄは、制御基板（図略）に接続されている。絶縁板６ｅは、セラミック製であって矩形板状を呈している。絶縁板６ｅは、樹脂モールド６ｆの対向する両面に、合計二枚配置されている。

導入管４は、導入本管４０と導入連通管４１とを備えている。導入連通管４１は、アルミニウム製であって蛇腹（図略）を持つ短軸円筒状を呈している。導入連通管４１は、互いに隣接する冷却チューブ２の導入口２０同士を連結している。導入連通管４１は、合計九個、略一直線に並んで配置されている。

導入本管４０は、アルミニウム製であって、導入連通管４１よりも長軸の円筒状を呈している。導入本管４０の一端は、最上流側の冷却チューブ２の導入口２０を覆っている。導入本管４０を介して、放熱装置１０から冷却チューブ２に、水希釈ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が導入される。水希釈ＬＬＣは、本発明の流体に含まれる。

導出管５は、導出本管５０と導出連通管５１とを備えている。導出連通管５１は、アルミニウム製であって蛇腹（図略）を持つ短軸円筒状を呈している。導出連通管５１は、互いに隣接する冷却チューブ２の導出口２１同士を連結している。導出連通管５１は、合計九個、略一直線に並んで配置されている。

導出本管５０は、アルミニウム製であって円筒状を呈している。導出本管５０は、導入本管４０に対して、略平行に配置されている。導出本管５０の一端は、最下流側の冷却チューブ２の導出口２１を覆っている。導出本管５０を介して、冷却チューブ２から放熱装置１０に、熱交換後の水希釈ＬＬＣが導出される。

次に、本実施形態のスイッチングモジュールを有するパワースタックにおける水希釈ＬＬＣの流れについて説明する。図４に示すように、水希釈ＬＬＣは、放熱装置１０から導入本管４０に供給される。そして、水希釈ＬＬＣは、導入本管４０から、直接あるいは導入連通管４１を介して、十枚の冷却チューブ２各々の冷却通路２２に、導入される。ところで、ＭＧの駆動により、スイッチングモジュール６は発熱している。スイッチングモジュール６の熱は、冷却チューブ２の管壁を介して、冷却通路２２を流れる水希釈ＬＬＣに伝達される。スイッチングモジュール６の熱を受け昇温した水希釈ＬＬＣは、冷却通路２２から、直接あるいは導出連通管５１を介して、導出本管５０に流れ込む。導出本管５０にて合流した水希釈ＬＬＣは、放熱装置１０に導出される。放熱装置１０により再冷却された水希釈ＬＬＣは、再び導入本管４０に導入される。すなわち、水希釈ＬＬＣは、放熱装置１０→導入管４→冷却チューブ２（冷却通路２２）→導出管５→再び放熱装置１０という経路で、放熱装置１０とパワースタック１との間を循環している。そして、水希釈ＬＬＣは、スイッチングモジュール６の温度を、許容温度以下になるように保持している。

次に、本実施形態のスイッチングモジュールのサーマルダイオードについて説明する。図５に、図４のＶ方向から見た冷却チューブとスイッチングモジュールとの透過模式図を示す。なお、説明の便宜上、スイッチングモジュールを一点鎖線で示す。並びに、フライホイルダイオードを省略して示す。

図に示すように、水希釈ＬＬＣは、冷却通路２２内を流れながら、ＩＧＢＴ６ａを冷却する。図６に、図５のＩＧＢＴと水希釈ＬＬＣの流れとの関係を示す。図６（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ６ａの発熱（単位時間あたりの発熱量）は、ＩＧＢＴ６ａ全面に亘り略均等である。図６（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ６ａの中央部よりも、ＩＧＢＴ６ａの周縁部の方が、拡散熱抵抗が小さい。図６（ｄ）に示すように、水希釈ＬＬＣの温度は、水希釈ＬＬＣの流れ方向において、均等ではない。水希釈ＬＬＣの温度は、ＩＧＢＴ６ａとの熱交換により、上流側から下流側に向かって、徐々に高くなる。このため、冷却効率は、上流側から下流側に向かって、徐々に低下する。したがって、図６（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ６ａの温度分布における最高温度部分Ｔは、水希釈ＬＬＣの流れ方向におけるＩＧＢＴ６ａの中央Ｍよりも、距離Ｌ２だけ下流側にずれてしまう。しかしながら、図６（ａ）に示すように、サーマルダイオード６０ａの中央も、水希釈ＬＬＣ流れ方向におけるＩＧＢＴ６ａの中央Ｍから、距離Ｌ１だけ下流側にずれて配置されている。また、距離Ｌ１＝距離Ｌ２となるように、設定されている。

サーマルダイオード６０ａは、多結晶シリコンダイオードである。サーマルダイオード６０ａの順方向電圧は、負の温度係数を持つ。つまり、ＩＧＢＴ６ａの温度が上がると、サーマルダイオード６０ａの順方向電圧は低下する。この電圧から、最高温度部分Ｔの温度を検出する。そして、ＩＧＢＴ６ａが過熱状態にある場合、ＩＧＢＴ６ａを強制的にオフにする。このようにして、パワースタック１は、過熱による不具合からＩＧＢＴ６ａを保護している。

次に、本実施形態のスイッチングモジュールの作用効果について説明する。本実施形態のスイッチングモジュール６によると、サーマルダイオード６０ａが、ＩＧＢＴ６ａの中央Ｍよりも下流側にシフトしている。また、ＩＧＢＴ６ａの中央Ｍに対するサーマルダイオード６０ａの中央のずれ量Ｌ１と、ＩＧＢＴ６ａの中央Ｍに対する最高温度部分Ｔのずれ量Ｌ２とが、一致している。言い換えると、サーマルダイオード６０ａの中央が、ＩＧＢＴ６ａの最高温度部分Ｔに配置されている。このため、最高温度部分Ｔの発熱状況を、サーマルダイオード６０ａにより、確実に検出することができる。したがって、ＩＧＢＴ６ａに過熱による不具合が発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態のスイッチングモジュール６によると、ＩＧＢＴ６ａと水希釈ＬＬＣとが、冷却チューブ２の管壁により隔離されている。このため、例えば気流などの流体がＩＧＢＴ６ａに接触する場合と比較して、流体に乱流などが発生しにくい。つまり、水希釈ＬＬＣの流れを制御、把握しやすい。このため、サーマルダイオード６０ａの位置設定（つまり距離Ｌ１の設定）が比較的容易である。

以上、本発明の発熱検出装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、半導体チップの種類は、ＩＧＢＴ６ａに特に限定するものではない。パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などであってもよい。また、感温素子の種類は、サーマルダイオード６０ａに特に限定するものではない。例えば、サーミスタなどであってもよい。

また、感温素子の配置数は、特に限定するものではない。複数の感温素子を配置する場合、少なくとも一つの感温素子の中央が、水希釈ＬＬＣ流れ方向におけるＩＧＢＴ６ａの中央Ｍから、下流側にずれて配置されていればよい。言い換えると、他の感温素子が、中央Ｍよりも上流側に配置されていてもよい。

また、発熱素子のオフ制御方法は、特に限定するものではない。例えば、ＩＧＢＴ６ａとサーマルダイオード６０ａとを含むアナログ回路を組み、サーマルダイオード６０ａの順方向電圧変化により、ハード的に、ＩＧＢＴ６ａをオフ制御してもよい。また、サーマルダイオード６０ａの電圧値をデジタル変換し、変換後のデジタル値と所定のしきい値とをマイコンにおいて比較し、デジタル値＞しきい値の場合マイコンからの制御信号によりＩＧＢＴ６ａをオフ制御してもよい。

また、上記実施形態においては、本発明の発熱検出装置をスイッチングモジュール６として具現化したが、本発明の発熱検出装置は発熱素子の温度検出が必要な種々の装置として具現化することができる。

以下、上記スイッチングモジュール６について行った、サーマルダイオード６０ａの位置設定（つまり距離Ｌ１の設定）シミュレーションについて説明する。シミュレーションにおいて、ＩＧＢＴ６ａの出力は、５００Ｗとした。水希釈ＬＬＣの流量は、１ｌ／ｍｉｎ．とした。水希釈ＬＬＣの温度勾配は、冷却通路２２の上流側から下流側に向かって、６００Ｋ／ｍとした。

シミュレーションの結果、ＩＧＢＴ６ａの温度分布における最高温度部分Ｔは、水希釈ＬＬＣの流れ方向におけるＩＧＢＴ６ａの中央Ｍよりも、１．５×１０^-3ｍだけ下流側にずれていることが判った。したがって、上記シミュレーション条件にてスイッチングモジュール６を用いる場合、サーマルダイオード６０ａの中央を、ＩＧＢＴ６ａの中央Ｍから、１．５×１０^-3ｍだけ下流側にずらして配置すればよいことが判った。

本発明の一実施形態となるスイッチングモジュールを持つパワースタックの分解斜視図である。 同パワースタックの合体斜視図である。 本実施形態のスイッチングモジュールの分解斜視図である。 同パワースタックの断面図である。 図４のＶ方向から見た冷却チューブとスイッチングモジュールとの透過模式図である。 （ａ）は図５のＩＧＢＴと水希釈ＬＬＣの流れとの関係を示す模式図である。（ｂ）はＩＧＢＴの発熱を示す模式図である。（ｃ）はＩＧＢＴの拡散熱抵抗を示す模式図である。（ｄ）は水希釈ＬＬＣ温度を示す模式図である。（ｅ）はＩＧＢＴの温度分布を示す模式図である。 （ａ）は従来の半導体チップと流体の流れとの関係を示す模式図である。（ｂ）は半導体チップの発熱を示す模式図である。（ｃ）は半導体チップの拡散熱抵抗を示す模式図である。（ｄ）は流体温度を示す模式図である。（ｅ）は半導体チップの温度分布を示す模式図である。

符号の説明

１：パワースタック、２：冷却チューブ（冷却管）、２０：導入口、２１：導出口、２２：冷却通路、４：導入管、４０：導入本管、４１：導入連通管、５：導出管、５０：導出本管、５１：導出連通管、６：スイッチングモジュール（発熱検出装置）、６ａ：ＩＧＢＴ（半導体チップ）、６ｂ：フライホイルダイオード、６ｃ：電極端子、６ｄ：信号端子、６ｅ：絶縁板、６ｆ：樹脂モールド、６０ａ：サーマルダイオード、１０：放熱装置、Ｌ１：ＩＧＢＴの中央に対するサーマルダイオードの中央のずれ量、Ｌ２：ＩＧＢＴの中央に対する最高温度部分のずれ量、Ｍ：中央、Ｔ：最高温度部分。

Claims (4)

1. 通電により発熱し液体の流体により冷却される発熱素子と、該発熱素子に配置され該発熱素子の発熱状況を検出する少なくとも一つの感温素子と、を備えてなる発熱検出装置であって、
   前記流体の流れ方向において、少なくとも一つの前記感温素子の中央は、前記発熱素子の中央よりも下流側となるように前記発熱素子に配置され、少なくとも一つの前記感温素子は、前記発熱素子の温度分布における最高温度部分に配置されていることを特徴とする発熱検出装置。
2. 前記発熱素子は、半導体チップである請求項１に記載の発熱検出装置。
3. 前記流体は、冷却管の内部に区画された冷却通路を流れ、
   前記発熱素子は、該冷却管の管壁を介して、該流体により冷却される請求項１に記載の発熱検出装置。
4. 前記感温素子は、サーマルダイオードである請求項１に記載の発熱検出装置。

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