JP5880734B2 - 半導体チップ温度推定装置及び過熱保護装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、半導体モジュールを構成する半導体チップの温度推定装置、及び、この温度推定装置を用いて電力変換器を過熱事故から保護するための過熱保護装置に関するものである。
半導体モジュールが搭載された電力変換器において、半導体モジュールを構成する半導体チップの温度を推定し、推定した温度が許容温度を超えて破壊に至るまでに半導体チップに流れる電流を制限して半導体チップや電力変換器の過熱保護を実現する方法がある。このような半導体チップの温度を推定する従来技術が、特許文献１や特許文献２に開示されている。
図７は、特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。
図７において、１０１は三相交流電源（図示せず）に接続された整流回路、１０２は平滑コンデンサ、１０３は、インバータ１０４及びサーミスタ１０５が設置されたヒートシンク、１０６はインバータ１０４により駆動されるモータである。また、２００はインバータ１０４の半導体スイッチング素子を制御する制御装置、２０１，２０２は第１，第２の設定温度、２０３は電流検出器、２０４，２０５はコンパレータ、２０６は電流遮断機能、２０７は電流制限機能、２０８はＰＷＭ制御部、２０９は温度検出部、２１０はＴｊ（ジャンクション温度）推定部である。
図７において、１０１は三相交流電源（図示せず）に接続された整流回路、１０２は平滑コンデンサ、１０３は、インバータ１０４及びサーミスタ１０５が設置されたヒートシンク、１０６はインバータ１０４により駆動されるモータである。また、２００はインバータ１０４の半導体スイッチング素子を制御する制御装置、２０１，２０２は第１，第２の設定温度、２０３は電流検出器、２０４，２０５はコンパレータ、２０６は電流遮断機能、２０７は電流制限機能、２０８はＰＷＭ制御部、２０９は温度検出部、２１０はＴｊ（ジャンクション温度）推定部である。
この従来技術では、サーミスタ１０５及び温度検出部２０９により得たヒートシンク１０３の温度検出値、電流検出器２０３によるモータ１０６の電流検出値、及びＰＷＭ制御部２０８によるドライブ信号（キャリア周波数）がＴｊ推定部２１０に入力される。Ｔｊ推定部２１０では、電流検出値とドライブ信号とに基づいて導通損失及びスイッチング損失に応じた温度上昇分を求め、この温度上昇分をヒートシンク１０３の温度検出値に加算して半導体スイッチング素子のジャンクション温度（半導体チップ温度）を推定している。
そして、推定した半導体チップ温度が第１の設定温度２０１を超えたら、電流制限機能２０７によりインバータ１０４の電流を制限し、半導体チップ温度が第１の設定温度２０１より高い第２の設定温度２０２を超えたら、電流遮断機能２０６によりインバータ１０４の電流を遮断して過熱保護を実現している。
そして、推定した半導体チップ温度が第１の設定温度２０１を超えたら、電流制限機能２０７によりインバータ１０４の電流を制限し、半導体チップ温度が第１の設定温度２０１より高い第２の設定温度２０２を超えたら、電流遮断機能２０６によりインバータ１０４の電流を遮断して過熱保護を実現している。
なお、特許文献２には、同期電動機がストール状態になった時に、半導体チップ温度推定値が許容値を超えないようにインバータの出力電流を制限するようにした電力変換器の制御装置が開示されている。
特許文献１，２に記載された従来技術では、サーミスタ等の温度センサによる温度検出値を、半導体チップを冷却するための冷却体または冷媒の温度検出値とみなし、この温度検出値に、半導体チップの損失に起因した温度上昇分を加算することによって半導体チップの温度を推定している。
例えば図８は、図７のＴｊ推定部２１０における半導体チップの温度推定機能を示す概念図であり、２１０ａは温度上昇推定手段、２１０ｂは加減算手段、２１０ｃは半導体チップ損失計算部、２１０ｄは半導体チップ温度上昇分計算部である。図示するように、Ｔｊ推定部２１０では、半導体チップの損失に起因した温度上昇分推定値とサーミスタ１０５による温度検出値との加算値を、半導体チップの温度推定値として出力する。
例えば図８は、図７のＴｊ推定部２１０における半導体チップの温度推定機能を示す概念図であり、２１０ａは温度上昇推定手段、２１０ｂは加減算手段、２１０ｃは半導体チップ損失計算部、２１０ｄは半導体チップ温度上昇分計算部である。図示するように、Ｔｊ推定部２１０では、半導体チップの損失に起因した温度上昇分推定値とサーミスタ１０５による温度検出値との加算値を、半導体チップの温度推定値として出力する。
前述したように、特許文献１，２では、半導体チップ温度を推定する基準温度となる冷却体温度や冷媒温度を検出することが前提であり、そのためにサーミスタ等の温度センサを冷却体に設置する必要がある。
このため、上記温度センサによって部品点数が増加し、電力変換器のコスト増加や大型化を招くという問題があった。
このため、上記温度センサによって部品点数が増加し、電力変換器のコスト増加や大型化を招くという問題があった。
上記問題に対して、複数の半導体チップからなる半導体モジュールにサーミスタを内蔵することにより、冷却体等に別途、サーミスタを設置せずに、半導体モジュール内蔵のサーミスタによって冷却体等の温度を推定する方法がある。しかし、この方法によると、サーミスタ近傍の半導体チップの発熱の影響により、サーミスタが冷却体等の温度を正確に推定できない場合がある。
また、半導体モジュールに内蔵したサーミスタによって半導体チップの温度を推定し、過熱保護を行う方法もある。しかしながら、この方法では、サーミスタから遠い位置にある半導体チップが発熱してサーミスタ近傍の半導体チップが殆ど発熱しない状態において、サーミスタは遠い位置にある半導体チップの発熱の影響を殆ど受けないため、過熱保護を有効に行なえないという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、サーミスタ等の温度センサ近傍の半導体チップが発熱した場合でも、半導体チップ温度を推定する基礎温度となる冷却体や冷媒（以下、これらを総称して「冷却要素」ともいう）の温度を正確に推定することにより、冷却要素の温度を検出する温度センサを不要にして電力変換器のコストの低減及び小型化を図った半導体チップ温度推定装置を提供することにある。また、本発明の別の解決課題は、半導体チップ温度推定値に基づく電流制限動作により、半導体チップや電力変換器を過熱事故から保護するようにした過熱保護装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の半導体チップ温度推定装置は、半導体モジュールにサーミスタ等の温度センサと共に内蔵された半導体チップの温度を推定する半導体チップ温度推定装置に関するものである。
まず、請求項１に係る半導体チップ温度推定装置は、半導体チップの電流及び半導体チ ップ内の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により半導体チップの損失を推定する第１の推定手段と、
温度センサによる温度検出値と半導体モジュールを冷却するための冷媒や冷却体等の冷却要素の温度との差である温度上昇分と、半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶手段と、
第１の推定手段から出力される半導体チップの損失推定値と前記相関関係とを用いて、温度センサの温度上昇分を推定する第２の推定手段と、
第２の推定手段から出力される温度センサの温度上昇分推定値を、温度センサによる温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定する第３の推定手段と、を備え、
第３の推定手段から出力される冷却要素温度の推定値を基礎温度として、半導体チップの温度を推定するものである。
まず、請求項１に係る半導体チップ温度推定装置は、半導体チップの電流及び半導体チ ップ内の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により半導体チップの損失を推定する第１の推定手段と、
温度センサによる温度検出値と半導体モジュールを冷却するための冷媒や冷却体等の冷却要素の温度との差である温度上昇分と、半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶手段と、
第１の推定手段から出力される半導体チップの損失推定値と前記相関関係とを用いて、温度センサの温度上昇分を推定する第２の推定手段と、
第２の推定手段から出力される温度センサの温度上昇分推定値を、温度センサによる温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定する第３の推定手段と、を備え、
第３の推定手段から出力される冷却要素温度の推定値を基礎温度として、半導体チップの温度を推定するものである。
請求項２に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における前記相関関係が、温度センサの温度上昇分と半導体チップの損失との関係を１次遅れ要素により近似したものであることを特徴とする。
請求項３に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における第１の推定手段、記憶手段、及び第２の推定手段を、複数の半導体チップに対応させてそれぞれ設け、第３の推定手段は、複数の第２の推定手段から出力される温度上昇分推定値の合計値を、温度センサによる温度検出値から差し引いて冷却要素温度を推定するものである。
請求項４に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１における前記相関関係が、温度センサの温度上昇分と半導体チップの損失との関係を複数の１次遅れ要素の和により近似したものであることを特徴とする。
請求項５に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、半導体チップの温度と前記冷却要素温度との差である温度上昇分を演算により推定する第４の推定手段を設け、この第４の推定手段から出力される半導体チップ温度上昇分推定値と第３の推定手段から出力される冷却要素温度推定値とを加算して半導体チップの温度推定値を求めるものである。
請求項６に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項５における第４の推定手段が、半導体チップの電流及び半導体チップ内の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により半導体チップの損失を推定する第５の推定手段と、この第５の推定手段から出力される半導体チップの損失推定値を用いて、演算により半導体チップの温度上昇分を推定する第６の推定手段と、を備えたものである。
請求項７に係る半導体チップ温度推定装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、前記冷却要素が、前記半導体モジュールを冷却する冷媒であることを特徴とする。
請求項８に係る過熱保護装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置から出力される半導体チップの温度推定値が設定値を超えた時に、半導体チップ内の半導体スイッチング素子の動作を制御して半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する手段を備えたものである。
本発明によれば、サーミスタ等の温度センサを冷媒や冷却体等の冷却要素に別途、設置することなく冷却要素温度を推定することができる。このため、部品点数を削減して電力変換器の小型化、低コスト化を達成することができる。
また、温度センサが近傍の半導体チップの発熱の影響を受けたとしても、所定の相関関係に基づく温度上昇分を温度センサによる温度検出値から差し引くことで、冷却要素温度を高精度に推定することができる。
上記のように、本発明では冷却要素温度推定値の信頼性が高いため、この冷却要素温度推定値を基礎温度とした半導体チップ温度推定値の信頼性も高くなり、半導体チップや電力変換器の過熱保護を安全かつ確実に行うことができる。
また、温度センサが近傍の半導体チップの発熱の影響を受けたとしても、所定の相関関係に基づく温度上昇分を温度センサによる温度検出値から差し引くことで、冷却要素温度を高精度に推定することができる。
上記のように、本発明では冷却要素温度推定値の信頼性が高いため、この冷却要素温度推定値を基礎温度とした半導体チップ温度推定値の信頼性も高くなり、半導体チップや電力変換器の過熱保護を安全かつ確実に行うことができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の実施形態が適用される電力変換装置のブロック図である。この電力変換装置は、三相インバータからなる電力変換器によりモータを駆動する主回路と、前記インバータの制御装置とによって構成されている。
まず、図１は、本発明の実施形態が適用される電力変換装置のブロック図である。この電力変換装置は、三相インバータからなる電力変換器によりモータを駆動する主回路と、前記インバータの制御装置とによって構成されている。
図１の主回路において、１０は直流電圧が印加される平滑コンデンサ、１１〜１６はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子及び還流ダイオードからなる半導体チップ、１７は温度センサとしてのサーミスタ、１８は半導体モジュール、１９は電流検出器、２０はインバータの負荷であるモータ、２１は半導体チップ１１〜１６を冷却するヒートシンクである。
なお、半導体スイッチング素子の種類や個数、電力変換器の種類や相数は特に限定されるものではない。
なお、半導体スイッチング素子の種類や個数、電力変換器の種類や相数は特に限定されるものではない。
一方、制御装置は、サーミスタ１７からの温度検出値と、電流検出器１９によるモータ２０の電流検出値と、後述するＰＷＭ回路８からのキャリア周波数とが入力される本実施形態の半導体チップ温度推定装置６を有する。半導体チップ温度推定装置６は、冷却要素温度推定部１と、半導体チップ温度上昇分推定部４と、両者の出力を加算する加減算手段５とを備えており、この半導体チップ温度推定装置６から出力される半導体チップ温度推定値は、電流制限指令回路７に入力されている。
電流制限指令回路７は、半導体チップ温度推定値が設定値を超えた場合に、半導体スイッチング素子を流れる電流（インバータの出力電流）を制限するための電流制限指令を生成する。ここで、電流制限指令には、電流をゼロに制限する（半導体スイッチング素子をオフさせる）指令も含む。
上記電流制限指令は、ＰＷＭ回路８に入力される。このＰＷＭ回路８は、図示されていない制御回路からの電圧指令に基づきＰＷＭ信号を生成して後続のゲート駆動回路９に出力する。ゲート駆動回路９は、ゲート信号を生成して半導体チップ１１〜１６内の半導体スイッチング素子をオンオフさせることにより、半導体チップ１１〜１６からなるインバータの直流／交流変換動作によってモータ２０に三相交流電力を供給する。
次に、この実施形態に係る半導体チップ温度推定装置６の実施例を、図２〜図６に従って説明する。
なお、以下の実施例では、図１の半導体モジュール１８を冷却する冷却要素がヒートシンク２１を強制冷却する水などの冷媒であるものとし、図１における冷却要素温度推定部１を冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄとして具体化してある。ここで、冷却要素としては、冷媒以外に冷却フィン等の冷却体を用いても良く、その場合には冷却要素温度として冷却体温度を推定することになる。
なお、以下の実施例では、図１の半導体モジュール１８を冷却する冷却要素がヒートシンク２１を強制冷却する水などの冷媒であるものとし、図１における冷却要素温度推定部１を冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄとして具体化してある。ここで、冷却要素としては、冷媒以外に冷却フィン等の冷却体を用いても良く、その場合には冷却要素温度として冷却体温度を推定することになる。
まず、図２は、半導体チップ温度推定装置６の第１実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ａを示すブロック図である。
図２において、冷媒温度推定部１Ａは、半導体チップ損失計算部２と、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係が記憶された相関関係記憶部３Ａと、相関関係記憶部３Ａの出力とサーミスタ温度検出値とを図示の符号で加減算する加減算手段２２と、を備えている。この冷媒温度推定部１Ａは、ＣＰＵ及びメモリ等のハードウェアと所定の演算を実行するソフトウェアとによって構成されており、この点は、後述の冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄ及び半導体チップ温度上昇分推定部４についても同様である。
なお、半導体チップ損失計算部２は請求項における第１の推定手段を構成し、相関関係記憶部３Ａは請求項における記憶手段及び第２の推定手段を構成し、加減算手段２２は請求項における第３の推定手段を構成している。
図２において、冷媒温度推定部１Ａは、半導体チップ損失計算部２と、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係が記憶された相関関係記憶部３Ａと、相関関係記憶部３Ａの出力とサーミスタ温度検出値とを図示の符号で加減算する加減算手段２２と、を備えている。この冷媒温度推定部１Ａは、ＣＰＵ及びメモリ等のハードウェアと所定の演算を実行するソフトウェアとによって構成されており、この点は、後述の冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄ及び半導体チップ温度上昇分推定部４についても同様である。
なお、半導体チップ損失計算部２は請求項における第１の推定手段を構成し、相関関係記憶部３Ａは請求項における記憶手段及び第２の推定手段を構成し、加減算手段２２は請求項における第３の推定手段を構成している。
半導体チップ損失計算部２は、１個の半導体チップの損失を推定演算する機能を有し、電流検出器１９による電流検出値やＰＷＭ回路８からのキャリア周波数（スイッチング周波数）等の、半導体チップの損失推定に必要な情報が入力されている。なお、半導体チップ損失計算部２には、上述した電流検出値やキャリア周波数の他にスイッチング素子や還流ダイオードの特性等を入力し、これらを用いてスイッチング素子や還流ダイオードの各々について推定演算した導通損失とスイッチング損失との合計値を、半導体チップ損失推定値として出力することが望ましい。
図２の相関関係記憶部３Ａには、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係が予め記憶されている。
ここで、サーミスタ温度上昇分（＝サーミスタ温度検出値−冷媒温度）とは、冷媒温度を基準温度とした、半導体チップの発熱によるサーミスタ１７の温度検出値であり、予め測定可能である。なお、冷媒温度は一定とする。
また、半導体チップ損失に起因する発熱とサーミスタ温度検出値との関係も予め測定可能であるから、半導体チップ損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を予め求めて相関関係記憶部３Ａに記憶しておくことができる。
このようにして相関関係記憶部３Ａに記憶された相関関係を用いることにより、半導体チップ損失推定値からサーミスタ温度上昇分を推定し、そのサーミスタ温度上昇分推定値を加減算手段２２に入力する。
ここで、サーミスタ温度上昇分（＝サーミスタ温度検出値−冷媒温度）とは、冷媒温度を基準温度とした、半導体チップの発熱によるサーミスタ１７の温度検出値であり、予め測定可能である。なお、冷媒温度は一定とする。
また、半導体チップ損失に起因する発熱とサーミスタ温度検出値との関係も予め測定可能であるから、半導体チップ損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を予め求めて相関関係記憶部３Ａに記憶しておくことができる。
このようにして相関関係記憶部３Ａに記憶された相関関係を用いることにより、半導体チップ損失推定値からサーミスタ温度上昇分を推定し、そのサーミスタ温度上昇分推定値を加減算手段２２に入力する。
一方、半導体モジュール１８に内蔵されたサーミスタ１７による温度検出値も、加減算手段２２に入力されている。加減算手段２２では、このサーミスタ温度検出値（前述のごとく、サーミスタ温度検出値＝サーミスタ温度上昇分＋冷媒温度）から前記サーミスタ温度上昇分推定値を差し引くことにより、冷媒温度を推定することができる。
なお、この冷媒温度推定値と、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４の出力（半導体チップ温度上昇分推定値）とを加減算手段５により加算すれば、半導体チップ温度推定値を求めることができる。電流制限指令回路７は、この半導体チップ温度推定値が設定値を超えたときに電流制限指令を出力し、ＰＷＭ回路８を介して半導体スイッチング素子のオンデューティを変化させたり半導体スイッチング素子をオフさせる等の電流制限動作によって保護動作を行う。
半導体チップ温度上昇分推定部４の構成は、後述する第５実施例により説明するが、基本的には、図８に示した温度上昇推定手段２１０ａと同一で良い。
なお、この冷媒温度推定値と、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４の出力（半導体チップ温度上昇分推定値）とを加減算手段５により加算すれば、半導体チップ温度推定値を求めることができる。電流制限指令回路７は、この半導体チップ温度推定値が設定値を超えたときに電流制限指令を出力し、ＰＷＭ回路８を介して半導体スイッチング素子のオンデューティを変化させたり半導体スイッチング素子をオフさせる等の電流制限動作によって保護動作を行う。
半導体チップ温度上昇分推定部４の構成は、後述する第５実施例により説明するが、基本的には、図８に示した温度上昇推定手段２１０ａと同一で良い。
上記のように、第１実施例によれば、サーミスタ内蔵の半導体モジュール１８を用いてその温度検出値を半導体チップの損失推定に必要な情報と共に冷媒温度推定部１Ａに入力することにより、サーミスタを別途、設置することなく冷媒温度を推定することができる。これにより、部品点数を増加させずに過熱保護を行うことができ、電力変換器の低コスト化、小型化が可能になる。
ここで、図８に示した従来技術では、サーミスタ温度検出値（冷却体または冷媒の温度検出値）を半導体チップ温度推定値の基準温度として用い、この基準温度を加減算手段２１０ｂにて半導体チップ温度上昇分推定値に加算して半導体チップ温度推定値を演算している。
この場合、冷却体または冷媒の温度を検出するためのサーミスタの近傍に配置された半導体チップが発熱すると、サーミスタは当該半導体チップの発熱の影響を受けるため、冷却体または冷媒の温度を正しく推定することができない。従って、図８のようにサーミスタ温度検出値をそのまま基準温度に用いて半導体チップの温度を推定する場合には、半導体チップ温度の推定誤差が大きくなり、過熱保護を安全、確実に行えない場合が生じる。
この場合、冷却体または冷媒の温度を検出するためのサーミスタの近傍に配置された半導体チップが発熱すると、サーミスタは当該半導体チップの発熱の影響を受けるため、冷却体または冷媒の温度を正しく推定することができない。従って、図８のようにサーミスタ温度検出値をそのまま基準温度に用いて半導体チップの温度を推定する場合には、半導体チップ温度の推定誤差が大きくなり、過熱保護を安全、確実に行えない場合が生じる。
これに対し、本実施例によれば、サーミスタに及ぼす半導体チップの発熱の影響を考慮した相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分を推定しているため、その温度上昇分推定値をサーミスタ温度検出値から差し引くことにより冷媒温度を正確に推定し、結果として半導体チップ温度を高精度に推定することができる。
次に、図３は、半導体チップ温度推定装置６の第２実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｂのブロック図である。この第２実施例では、相関関係記憶部３Ｂに記憶されるサーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を、具体的に数式１で表されるような１次遅れ要素により近似している。
上記のような方法とは別に、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係をテーブルデータとして表す方法も挙げられるが、この方法では、サーミスタ温度上昇分における熱時定数Ｔｃの影響を無視せざるを得ず、例えば負荷であるモータ２０の低速回転時や加減速運転時において電流が過渡的に変化する場合のサーミスタ温度上昇分を推定することができない。
このような観点から、前記相関関係を数式１のような１次遅れ要素によって近似することにより、冷媒温度ひいては半導体チップ温度を正確かつリアルタイムに推定することができる。
なお、数式１における定常熱抵抗Ｒは、Ｒ≒半導体チップ温度上昇分／半導体チップ損失という関係にあるから、半導体チップ損失推定値から数式１の相関関係Ｒｔｈを介してサーミスタ温度上昇分を推定することは容易である。
このような観点から、前記相関関係を数式１のような１次遅れ要素によって近似することにより、冷媒温度ひいては半導体チップ温度を正確かつリアルタイムに推定することができる。
なお、数式１における定常熱抵抗Ｒは、Ｒ≒半導体チップ温度上昇分／半導体チップ損失という関係にあるから、半導体チップ損失推定値から数式１の相関関係Ｒｔｈを介してサーミスタ温度上昇分を推定することは容易である。
図４は、半導体チップ温度推定装置６の第３実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｃを示すブロック図である。
この第３実施例では、サーミスタの温度上昇に影響を及ぼす複数個の半導体チップの損失を推定し、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分推定値をそれぞれ求め、これら複数のサーミスタ温度上昇分推定値を加算してサーミスタ温度検出値から差し引くことにより、冷媒温度を推定する。
この第３実施例では、サーミスタの温度上昇に影響を及ぼす複数個の半導体チップの損失を推定し、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分推定値をそれぞれ求め、これら複数のサーミスタ温度上昇分推定値を加算してサーミスタ温度検出値から差し引くことにより、冷媒温度を推定する。
図４において、半導体チップ損失計算部２Ｃ１，２Ｃ２は、例えば図１における半導体チップ１１，１２のように２個の半導体チップの損失をそれぞれ推定するものであり、各計算部２Ｃ１，２Ｃ２の機能は図２，図３における半導体チップ損失計算部２と同様である。
また、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２は、第２実施例のように、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を例えば１次遅れ要素により近似している。但し、一般的に各半導体チップとサーミスタ１７との位置関係によって上記相関関係が異なるので、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２に記憶される相関関係は必ずしも同一ではない。
また、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２は、第２実施例のように、サーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を例えば１次遅れ要素により近似している。但し、一般的に各半導体チップとサーミスタ１７との位置関係によって上記相関関係が異なるので、相関関係記憶部３Ｃ１，３Ｃ２に記憶される相関関係は必ずしも同一ではない。
第２実施例と同様にしてそれぞれの相関関係を用いて推定したサーミスタ温度上昇分推定値は、加減算手段２３により加算され、その加算値が、後続の加減算手段２２においてサーミスタ温度検出値から差し引かれることにより、冷媒温度推定値が求められる。
この第２実施例によれば、サーミスタ１７の近傍の半導体チップだけでなく、サーミスタ１７の遠くに配置された半導体チップによる発熱がサーミスタの温度上昇に影響を及ぼす場合においても、これら複数の半導体チップについて個々の損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分を推定することにより、冷媒温度を一層正確に推定し、ひいては半導体チップ温度を高精度に推定することが可能となる。
なお、図４ではサーミスタ温度上昇に影響を及ぼす半導体チップが２個の場合を示しているが、３個以上の半導体チップについてそれぞれ損失を推定すると共に相関関係を設定し、前記同様にサーミスタ温度上昇分を推定しても良いことは言うまでもない。
この第２実施例によれば、サーミスタ１７の近傍の半導体チップだけでなく、サーミスタ１７の遠くに配置された半導体チップによる発熱がサーミスタの温度上昇に影響を及ぼす場合においても、これら複数の半導体チップについて個々の損失とサーミスタ温度上昇分との相関関係を用いてサーミスタ温度上昇分を推定することにより、冷媒温度を一層正確に推定し、ひいては半導体チップ温度を高精度に推定することが可能となる。
なお、図４ではサーミスタ温度上昇に影響を及ぼす半導体チップが２個の場合を示しているが、３個以上の半導体チップについてそれぞれ損失を推定すると共に相関関係を設定し、前記同様にサーミスタ温度上昇分を推定しても良いことは言うまでもない。
次に、図５は、半導体チップ温度推定装置６の第４実施例の主要部である冷媒温度推定部１Ｄを示すブロック図である。
この第４実施例では、相関関係記憶部３Ｄに記憶されるサーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を、例えば数式２に示すような複数の１次遅れ要素の和によって近似している。なお、この数式２は、数式１に示した１次遅れ要素をｎ個合計したものである。
この第４実施例では、相関関係記憶部３Ｄに記憶されるサーミスタ温度上昇分と半導体チップ損失との相関関係を、例えば数式２に示すような複数の１次遅れ要素の和によって近似している。なお、この数式２は、数式１に示した１次遅れ要素をｎ個合計したものである。
この第４実施例によれば、第２実施例のように単一の１次遅れ要素では厳密には近似できない相関関係であっても、複数の１次遅れ要素を組み合わせることで実際の相関関係に近づけて模擬することができ、より高精度に冷媒温度を推定することが可能になる。
更に、図６は、半導体チップ温度推定装置６の第５実施例を示すブロック図である。
この第５実施例は、図２の第１実施例に示した冷媒温度推定部１Ａと、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４及び加減算手段５と、を備えており、図１の半導体チップ温度推定装置６の全体的な構成を具体化したものに相当する。
この第５実施例は、図２の第１実施例に示した冷媒温度推定部１Ａと、図１における半導体チップ温度上昇分推定部４及び加減算手段５と、を備えており、図１の半導体チップ温度推定装置６の全体的な構成を具体化したものに相当する。
ここで、冷媒温度推定部１Ａの構成、機能は第１実施例と同一である。
半導体チップ温度上昇分推定部４は、図８における温度上昇推定手段２１０ａと実質的に同様の構成であり、半導体チップ損失計算部４１と半導体チップ温度上昇分計算部４２とを備えている。
半導体チップ損失計算部４１は、冷媒温度推定部１Ａの半導体チップ損失計算部２と同様に、１個の半導体チップの損失を推定演算する機能を有し、図１の電流検出器１９による電流検出値やＰＷＭ回路８からのキャリア周波数等の、半導体チップの損失推定に必要な情報に基づいて半導体チップの損失を推定する。半導体チップ温度上昇分計算部４２は、半導体チップ損失推定値から、その損失に応じた発熱による温度上昇分を推定し、半導体チップ温度上昇分推定値として出力する。
上記構成において、半導体チップ温度上昇分推定部４は請求項における第４の推定手段を構成し、半導体チップ損失計算部４１は第５の推定手段を構成し、半導体チップ温度上昇分計算部４２は第６の推定手段を構成している。
半導体チップ温度上昇分推定部４は、図８における温度上昇推定手段２１０ａと実質的に同様の構成であり、半導体チップ損失計算部４１と半導体チップ温度上昇分計算部４２とを備えている。
半導体チップ損失計算部４１は、冷媒温度推定部１Ａの半導体チップ損失計算部２と同様に、１個の半導体チップの損失を推定演算する機能を有し、図１の電流検出器１９による電流検出値やＰＷＭ回路８からのキャリア周波数等の、半導体チップの損失推定に必要な情報に基づいて半導体チップの損失を推定する。半導体チップ温度上昇分計算部４２は、半導体チップ損失推定値から、その損失に応じた発熱による温度上昇分を推定し、半導体チップ温度上昇分推定値として出力する。
上記構成において、半導体チップ温度上昇分推定部４は請求項における第４の推定手段を構成し、半導体チップ損失計算部４１は第５の推定手段を構成し、半導体チップ温度上昇分計算部４２は第６の推定手段を構成している。
そして、冷媒温度推定部１Ａから出力される冷媒温度推定値と半導体チップ温度上昇分推定部４から出力される半導体チップ温度上昇分推定値とを加減算手段５にて加算すれば、半導体チップ温度推定値を求めることができる。この半導体チップ温度推定値を図１の電流制限指令回路７に入力して設定値と比較することにより、必要に応じて電流制限動作等を行えば良い。
この第５実施例においても、サーミスタ１７の近傍の半導体チップが発熱した場合に冷媒温度推定部１Ａが上記半導体チップの発熱に影響されることなくリアルタイムかつ高精度に冷媒温度を推定することができ、この冷媒温度推定値と半導体チップ温度上昇分推定値とを加算することによって半導体チップ温度を高精度に推定し、半導体チップや電力変換器の過熱保護に役立てることができる。
なお、図６における冷媒温度推定部１Ａの代わりに、図３〜図５（第２〜第４実施例）における冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄを用いても良い。
なお、図６における冷媒温度推定部１Ａの代わりに、図３〜図５（第２〜第４実施例）における冷媒温度推定部１Ｂ〜１Ｄを用いても良い。
本発明に係る半導体チップ温度推定装置は、ＩＧＢＴ，ＦＥＴ，サイリスタ等、各種の半導体スイッチング素子を有する半導体チップの温度推定に利用可能である。また、本発明に係る過熱保護装置は、上記半導体チップを半導体モジュールとして搭載したインバータ、コンバータ、チョッパ等の各種の電力変換器の過熱保護に利用することができる。
１：冷却要素温度推定部
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：冷媒温度推定部
２，２Ｃ１，２Ｃ２：半導体チップ損失計算部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｄ：相関関係記憶部
４：半導体チップ温度上昇分推定部
５，２２，２３：加減算手段
６：半導体チップ温度推定装置
７：電流制限指令回路
８：ＰＷＭ回路
９：ゲート駆動回路
１０：平滑コンデンサ
１１〜１６：半導体チップ
１７：サーミスタ
１８：半導体モジュール
１９：電流検出器
２０：モータ
２１：ヒートシンク
４１：半導体チップ損失計算部
４２：半導体チップ温度上昇分計算部
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：冷媒温度推定部
２，２Ｃ１，２Ｃ２：半導体チップ損失計算部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｄ：相関関係記憶部
４：半導体チップ温度上昇分推定部
５，２２，２３：加減算手段
６：半導体チップ温度推定装置
７：電流制限指令回路
８：ＰＷＭ回路
９：ゲート駆動回路
１０：平滑コンデンサ
１１〜１６：半導体チップ
１７：サーミスタ
１８：半導体モジュール
１９：電流検出器
２０：モータ
２１：ヒートシンク
４１：半導体チップ損失計算部
４２：半導体チップ温度上昇分計算部
Claims (8)
- 半導体モジュールに温度センサと共に内蔵された半導体チップの温度を推定する半導体チップ温度推定装置において、
前記半導体チップの電流及び前記半導体チップ内の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により前記半導体チップの損失を推定する第１の推定手段と、
前記温度センサによる温度検出値と前記半導体モジュールを冷却する冷却要素の温度である冷却要素温度との差である温度上昇分と、前記半導体チップの損失との相関関係が予め記憶された記憶手段と、
前記第１の推定手段から出力される前記半導体チップの損失推定値と前記相関関係とを用いて、演算により前記温度センサの温度上昇分を推定する第２の推定手段と、
前記第２の推定手段から出力される前記温度センサの温度上昇分推定値を、前記温度センサによる温度検出値から差し引いて前記冷却要素温度を推定する第３の推定手段と、
を備え、
前記第３の推定手段から出力される前記冷却要素温度の推定値を基礎温度として、前記半導体チップの温度を推定することを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記記憶手段に記憶される相関関係が、前記温度センサの温度上昇分と前記半導体チップの損失との関係を１次遅れ要素により近似したものであることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記第１の推定手段、前記記憶手段、及び前記第２の推定手段を、複数の半導体チップに対応させてそれぞれ設け、前記第３の推定手段は、複数の前記第２の推定手段から出力される前記温度センサの温度上昇分推定値の合計値を、前記温度センサによる温度検出値から差し引いて前記冷却要素温度を推定することを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記記憶手段に記憶される相関関係が、前記温度センサの温度上昇分と前記半導体チップの損失との関係を複数の１次遅れ要素の和により近似したものであることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記半導体チップの温度と前記冷却要素温度との差である温度上昇分を演算により推定する第４の推定手段を設け、この第４の推定手段から出力される半導体チップ温度上昇分推定値と前記第３の推定手段から出力される冷却要素温度推定値とを加算して前記半導体チップの温度推定値を求めることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項５に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記第４の推定手段は、
前記半導体チップの電流及び前記半導体チップ内の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を少なくとも用いて、演算により前記半導体チップの損失を推定する第５の推定手段と、
前記第５の推定手段から出力される前記半導体チップの損失推定値を用いて、演算により前記半導体チップの温度上昇分を推定する第６の推定手段と、
を備えたことを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置において、
前記冷却要素が、前記半導体モジュールを冷却する冷媒であることを特徴とする半導体チップ温度推定装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した半導体チップ温度推定装置から出力される前記半導体チップの温度推定値が設定値を超えた時に、前記半導体スイッチング素子の動作を制御して前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する手段を備えたことを特徴とする過熱保護装置。
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