JP7038647B2 - インテリジェントパワーモジュール - Google Patents

Description

この発明は、インテリジェントパワーモジュールに関する。

インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）は、複数の半導体素子と、これらの駆動回路、保護回路および出力回路を１つの電子部品としてモジュール化したものである。ここで、半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Integrated Gate Bipolar Transistor）またはパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子である。保護回路は、各半導体素子の制御電圧の電圧低下、過熱、短絡または過電流等の異常を検出する。出力回路は、保護回路から出力される異常検出信号に応じてエラー信号を生成し、エラー信号をＩＰＭの外部のインバータ制御部に出力する。

半導体素子は、電流の通電またはスイッチングに伴う損失の発生により、素子温度が上昇する。近年、半導体素子の素子温度をインバータ制御部で常時監視したいという要求が高まっている。インバータ、加工機械または電化製品等の最終製品が高機能化、小型化、軽量化、または安価になるに従い、インバータを構成する半導体装置にも、スイッチング動作の複雑化、パッケージの小型化、軽量化、半導体素子または構成部材の刷新による低価格化が求められる。半導体装置は小型になると、素子温度が上昇し、それに伴い故障確率も増加する傾向がある。素子温度が過度に上昇すると、半導体素子の寿命は想定よりも短くなる。従って、インバータ制御部が素子温度を常時監視し、例えば必要に応じて印加信号を調整することにより、素子温度の過度な上昇を防ぎ、製品の使用上の妥当な製品寿命を実現することが必要である。

従来、インバータ制御部が半導体素子の素子温度（以下、単に「素子温度」と称する）を常時監視するためには、ＩＰＭが素子温度に応じたアナログ電圧を専用の端子で外部出力しなければならず、出力端子の増加による半導体装置の大型化とコストアップを招くという問題があった。また、専用端子を設けると、素子温度を外部出力しないＩＰＭとの間で出力端子数または外形が異なるため、最終製品において外部制御基板またはヒートシンク等の部品を共通化できず、管理費用の観点からもコストアップを招くという問題があった。

これに対して特許文献１では、アラーム信号にパルス幅またはＰＷＭ信号等の時間軸方向の情報を持たせることによって、温度信号とエラー信号の出力端子を共用する方法が提案されている。これによれば、半導体装置の出力端子数を増やすことなく妥当なコストで、かつ高精度に素子温度を外部出力することができる。

特開２０１４－９３９０３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、インバータ制御部が一定期間のアラーム信号を記憶し、その信号間隔からアラーム信号が温度情報と異常状態のいずれを示しているかを判断しなければならないため、処理時間がかかる。そのため、ＩＰＭがアラーム信号を出力してからインバータ制御部がインバータ制御を停止するまでに時間がかかってしまう。その間、駆動信号が半導体素子に印加され続けるため、半導体素子またはインバータの故障確率が高まるという問題があった。

本発明は上述の問題に鑑み、ＩＰＭにおいて、温度情報とエラー信号の出力端子を共用しつつ、異常時には素早く半導体素子の駆動を停止することを目的とする。

本発明のインテリジェントパワーモジュールは、複数相の半導体素子と、複数相の半導体素子を駆動する複数相の駆動回路と、複数相の半導体素子の素子温度をそれぞれ検出する複数の温度検出素子と、を備え、各駆動回路は、自相の半導体素子のゲート端子への入力を制御するゲート制御回路と、自相の半導体素子の異常を検出する保護回路と、保護回路が異常を検出すると、エラー信号を出力するエラー信号生成回路と、複数相の半導体素子のうちいずれか一つの半導体素子である特定半導体素子の素子温度に応じた電圧値の温度信号を生成する温度信号生成回路と、エラー信号生成回路がエラー信号を出力する間はエラー信号を選択し、エラー信号生成回路がエラー信号を出力しない間は温度信号を選択し、選択した信号をアラーム信号として出力する出力制御回路と、を備え、温度信号生成回路は、エラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲の中で、特定半導体素子の素子温度に応じて温度信号の電圧値を変化させ、特定相の駆動回路は、他相の駆動回路から、他相の半導体素子の素子温度の情報を取得し、複数相の半導体素子のうち最も素子温度が高い半導体素子を特定半導体素子として選択する選択器を備える。

本発明によれば、エラー信号と温度信号のいずれか一方がアラーム信号として出力されるため、両信号の出力端子を共用することができる。また、温度信号の電圧値はエラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲であるため、アラーム信号を受信したインバータ制御部は、アラーム信号の電圧値からアラーム信号がエラー信号と温度信号のいずれであるかを素早く判断し、異常時には素早く半導体素子の駆動を停止することが可能である。

前提技術のＩＰＭの構成図である。 前提技術の駆動回路の構成図である。 実施の形態１のＩＰＭの構成図である。 実施の形態１の駆動回路の構成図である。 実施の形態１における温度信号と検出素子温度の関係を示す図である。 実施の形態１における検出素子温度とアラーム信号の関係を示す図である。 実施の形態２の駆動回路の構成図である。 実施の形態３における温度信号と検出素子温度の関係を示す図である。 実施の形態３における検出素子温度とアラーム信号の関係を示す図である。 実施の形態４の駆動回路の構成図である。 実施の形態４における温度信号と検出素子温度の関係を示す図である。 実施の形態４の第１変形例における温度信号と検出素子温度の関係を示す図である。 実施の形態４の第２変形例における温度信号と検出素子温度の関係を示す図である。 実施の形態５のＩＰＭの構成図である。 実施の形態５の駆動回路の構成図である。

＜Ａ．前提技術＞
図１は、前提技術のＩＰＭ１００の要部構成図である。ＩＰＭ１００は、インバータ１０および駆動回路１－６を備えて構成されている。インバータ１０は、６個のＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６と、ＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６のエミッタ－コレクタ間にそれぞれ逆並列接続されたフリーホイールダイオードＤ１－Ｄ６と、温度検出素子であるダイオードＤ１１－Ｄ１６とを備えている。

ＩＧＢＴ Ｔｒ１とＩＧＢＴ Ｔｒ４、ＩＧＢＴ Ｔｒ２とＩＧＢＴ Ｔｒ５、およびＩＧＢＴ Ｔｒ３とＩＧＢＴ Ｔｒ６は、それぞれ直列接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のハーフブリッジ回路を構成する。これら３組のハーフブリッジ回路は、直流電源（図示せず）に接続された正極端子Ｐと負極端子Ｎとの間に並列接続され、三相フルブリッジ回路を構成する。具体的には、ＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ３のエミッタ端子が負極端子Ｎに接続され、ＩＧＢＴ Ｔｒ４－Ｔｒ６のコレクタ端子が正極端子Ｐに接続される。すなわち、ＩＧＢＴ Ｔｒ１がＵＮ相を構成し、ＩＧＢＴ Ｔｒ２がＶＮ相を構成し、ＩＧＢＴ Ｔｒ３がＷＮ相を構成し、ＩＧＢＴ Ｔｒ４がＵＰ相を構成し、ＩＧＢＴ Ｔｒ５がＶＰ相を構成し、ＩＧＢＴ Ｔｒ６がＷＰ相を構成する。

ＩＧＢＴ Ｔｒ１のゲート端子には、駆動回路１が接続されている。すなわち、駆動回路１はＵＮ相の駆動回路である。同様に、ＩＧＢＴ Ｔｒ２－Ｔｒ６のゲート端子には、駆動回路２－６がそれぞれ接続されている。すなわち、駆動回路２－６は、それぞれＶＮ相、ＷＮ相、ＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相の駆動回路である。三相フルブリッジ回路を備えたインバータ１０は、直流電源から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、交流負荷であるモータＭに供給する。なお、図１において、モータＭは交流負荷の一例である。

図２は、ＵＮ相の駆動回路１の構成図である。駆動回路１－６の構成は同様であるため、図２には代表してＵＮ相の駆動回路１の構成を示している。駆動回路１は、ゲート制御回路２１、ゲート駆動回路２２、エラー信号生成回路２３、保護回路２４、ＯＲゲート２８、出力トランジスタＴｒ７、温度信号生成回路２９および定電流源３２を備えている。また、駆動回路１は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）６１から制御信号が入力される入力端子ＩＮ（ＵＮ）と、温度情報の出力端子ＶＯＴ（ＵＮ）と、エラー信号の出力端子Ｆｏ（ＵＮ）を備えている。

図２において、ＭＣＵ６１は、ＩＰＭ１００の外部のインバータ制御部の一例である。ゲート制御回路２１は、ＭＣＵ６１から制御信号を取得し、制御信号に従ってゲート駆動回路２２を動作させ、ＩＧＢＴ Ｔｒ１のゲートのオンオフを制御する。また、ゲート制御回路２１はエラー信号生成回路２３から保護信号を取得する。具体的には、ゲート制御回路２１は、保護信号がオフの場合には制御信号に従いＩＧＢＴ Ｔｒ１のオンオフを制御するが、保護信号がオンの場合には制御信号を無視してＩＧＢＴ Ｔｒ１の駆動を停止させ、異常状態からＩＧＢＴ Ｔｒ１を保護する。

保護回路２４は、自相の半導体素子であるＩＧＢＴ Ｔｒ１の異常を検出する。図２において、保護回路２４は、温度監視回路２５、電流監視回路２６および電圧監視回路２７を備えているが、これらは保護回路２４の一例である。保護回路２４は、温度監視回路２５、電流監視回路２６および電圧監視回路２７の少なくとも一つを備えていれば良い。温度監視回路２５は、ＩＧＢＴ Ｔｒ１の温度を検出し、温度が予め定められた閾値より高い場合に、過熱の異常検出信号をＯＲゲート２８に出力する。電流監視回路２６は、ＩＧＢＴ Ｔｒ１に流れる電流を検出し、電流が予め定められた閾値より高い場合に、過電流の異常検出信号をＯＲゲート２８に出力する。電圧監視回路２７は、ＩＧＢＴ Ｔｒ１に加えられる制御電圧を検出し、制御電圧が予め定められた閾値より低い場合に、制御電圧低下の異常検出信号をＯＲゲート２８に出力する。

これらの異常検出信号はローレベルの信号である。従って、ＩＧＢＴ Ｔｒ１に過熱、過電流、制御電圧低下の少なくともいずれかの異常が発生すると、保護回路２４からＯＲゲート２８を介してエラー信号生成回路２３にローレベルの信号が入力される。エラー信号生成回路２３は、ローレベルの信号が入力されると、ゲート制御回路２１に一定時間に亘り保護信号を出力する。この保護信号は、ワイヤまたはパターン等の電気的接続を介して他相の駆動回路２，３にも与えられる。これにより、ＩＧＢＴ Ｔｒ１だけでなくＩＧＢＴ Ｔｒ２，Ｔｒ３の駆動も禁止される。駆動回路１－３の間には、保護信号の送受信をするための電気的接続があり、これを図１では接続線７１、図２では入出力端子Ｔ_ＯＨとして表している。なお、図１では、駆動回路４－６間の保護信号の送受信を行うための配線の図示を省略している。エラー信号生成回路２３は、入出力端子Ｔ_ＯＨを通じて他相の駆動回路２，３から保護信号を取得すると、ゲート制御回路２１に一定時間に亘り保護信号を出力する。

また、エラー信号生成回路２３は、ローレベルの信号が入力されるとエラー信号を生成する。保護回路２４の異常検出信号のパルス幅またはパルス間隔は、異常の種類によって異なっており、エラー信号生成回路２３は異常検出信号に応じたパルス幅またはパルス間隔のエラー信号を生成する。エラー信号はエラー信号生成回路２３から出力トランジスタＴｒ７を介してＭＣＵ６１に出力される。ＭＣＵ６１は、エラー信号のパルス幅またはパルス間隔によって異常状態を区別することが可能である。

半導体素子の素子温度を検出する温度検出素子には、一般に温度依存性を持った半導体素子が用いられる。図２では、ダイオードＤ１１が温度検出素子として用いられている。ダイオードＤ１１は、検出素子温度に応じた電圧を検出する。ダイオードＤ１１は、好ましくは温度検出対象のＩＧＢＴ Ｔｒ１上またはその近傍に搭載され、搭載位置の温度に応じた電圧を検出する。温度信号生成回路２９は、増幅器３０及び抵抗３１を備えており、ダイオードＤ１１の検出電圧を増幅したり反転したりすることで、素子温度に応じたアナログ電圧をＭＣＵ６１が監視しやすい電圧範囲で生成する。

温度信号生成回路２９が生成したアナログ電圧は、温度情報として出力端子ＶＯＴ（ＵＮ）からＭＣＵ６１に出力される。このように、駆動回路１は、温度情報を出力する専用の出力端子ＶＯＴ（ＵＮ）を有するため、出力端子数の増加に伴う大型化とコストアップを招いてしまう。これに対して特許文献１では、通常時には素子温度と相関のあるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力し、異常発生時にはアラーム信号を出力することが提案されている。これにより、アラーム端子から素子温度情報または異常状態を表すアラーム信号が選択的にデジタル信号により出力される。この場合、素子温度情報とアラーム信号とで出力端子とが共用できるため、出力端子数を増やすことなく素子温度情報を出力することができる。

また、温度検出素子を用いて複数の半導体素子の温度を個々に検出して外部出力する場合、半導体装置の出力端子数が増加し、またインバータ制御部での処理負担が増えるという問題が発生する。そのため、複数の半導体素子の温度をそれぞれ検出し、これらの温度情報の中で最も高い温度情報を選択して外部出力することが提唱されている。

従来のＩＰＭが半導体素子の温度を常時監視するためには、専用の端子を設けて素子温度に応じたアナログ電圧を外部出力しなければならず、出力端子が増えるため半導体装置の大型化またはコストアップを招くという問題があった。また、温度情報の出力を行わないＩＰＭとは出力端子数が異なるため、最終製品において、外部制御基板またはヒートシンク等の部品を共通化できず、管理費用の観点からもコストアップを招くという問題があった。

一方で、特許文献１のように、温度情報と異常状態の出力端子を共用することで、半導体装置の出力端子数を増やすことなく素子温度情報を出力できる方法が提案されている。アラーム信号にパルス幅またはＰＷＭ信号等の時間軸方向の情報を持たせる場合、発生手段としては情報精度が高く、半導体装置の出力端子を増やすことなく、妥当なコストで温度情報を出力することができる。しかしながら、最終製品のインバータ制御部がアラーム信号から温度情報を読み取る場合、一定時間の信号内容を比較演算しなければならず、処理時間と演算負荷がかかる。具体的には、インバータ制御部は、一定期間のアラーム信号を記憶し、信号間隔からアラーム信号が温度情報を示しているか異常状態を示しているかを判断し、温度情報の場合には信号のデューティ比を検出して対応する温度情報に換算する必要がある。また、アラーム信号が異常状態を示す場合には、インバータ制御部は一刻も早く半導体装置に印加する駆動信号を停止して、半導体装置またはインバータの安全を確保する必要がある。半導体装置に内蔵する保護回路が働いた場合、保護信号がゲート制御回路に一定期間印加されるため、その間、半導体装置は駆動信号を受け付けずスイッチング動作を禁止し、誤信号等の単発の異常状態から半導体装置を保護できる。一方で、保護状態は一定期間後に解除される場合が多い。そのため、例えばモータで相間短絡等が発生した場合には、半導体素子に過電流が生じた後、インバータ制御部が異常状態を検知して半導体素子の動作を停止する。その後、保護状態が解除されて半導体素子の動作が復旧し、再び過電流が生じる。このように、半導体素子が短絡状態を繰り返すことにより、素子温度が急激に上昇し、半導体素子またはインバータ全体が破壊に至る可能性がある。そのため、相間短絡状態の解消など原因を解決してからインバータ装置を復旧することが望ましい。

しかしながら、アラーム信号がパルス幅またはＰＷＭ信号等の時間軸方向の情報を持つ場合、アラーム内容の検出には一定時間分の信号内容（ログ）が必要となるため、半導体装置がアラーム信号を出力してからインバータ制御部が停止するまでに時間がかかる。その間、駆動信号が半導体装置に印加され続けるため、半導体素子またはインバータ装置の故障確率が高まるという問題があった。そこで、以下の実施の形態では、エラー信号の出力端子を利用して、半導体素子の素子温度を、エラー信号と明確に識別可能に外部出力する半導体装置について説明する。

＜Ｂ．実施の形態１＞
図３は、実施の形態１のＩＰＭ１０１の概略構成を示すブロック図である。ＩＰＭ１０１は、ＩＰＭ１００と比較すると、インバータ１０に代えてインバータ１１を備え、駆動回路１－６に代えて駆動回路４１－４６を備えている。インバータ１１は、ダイオードＤ１１－Ｄ１６に代えて温度検出素子５１－５６を備えている他は、前提技術のインバータ１０と同様である。

図４は、ＵＮ相の駆動回路４１の構成を示すブロック図である。ＩＰＭ１０１において、駆動回路４１－４６の構成は同様であるため、図４には代表して駆動回路４１の構成を示している。駆動回路４１は、ゲート制御回路２１、ゲート駆動回路２２、エラー信号生成回路２３、保護回路２４、ＯＲゲート２８、温度情報検出回路３３、温度信号生成回路３４および出力制御回路３７を備えている。

温度検出素子５１は、自相の半導体素子であるＩＧＢＴ Ｔｒ１上またはその近傍に搭載され、搭載位置の温度に応じた電圧を出力する。温度情報検出回路３３は、温度検出素子５１の出力電圧を検出することで、ＩＧＢＴ Ｔｒ１またはその近傍の温度を検出する。以下、温度情報検出回路３３の検出温度を検出素子温度と称する。

温度信号生成回路３４は、オペアンプ３５と抵抗３６を有しており、温度情報検出回路３３の検出電圧を増幅したり反転したりすることで、当該検出電圧に応じた電圧値の温度信号を出力する。すなわち、温度信号生成回路３４は、自相の半導体素子であるＩＧＢＴ Ｔｒ１の素子温度に応じた電圧値の温度信号を出力する。ＩＰＭ１０１が有する複数相の半導体素子のうち、ＵＮ相の駆動回路４１の温度信号生成回路３４にとって自相の半導体素子を特定半導体素子とすると、温度信号生成回路３４は、特定半導体素子の素子温度に応じた電圧値の温度信号を出力する。ここで、オペアンプ３５の極性は問わない。好ましくは、温度信号生成回路３４は、温度情報検出回路３３の検出電圧に規定の電圧Ｖｒｅｆを加算して温度信号を生成する。

図５は、検出素子温度と温度信号の相関を示している。検出素子温度が高いほど、温度信号は大きくなる。温度信号生成回路３４において温度情報検出回路３３の検出電圧に加算されるＶｒｅｆは、図５に示すように、温度信号の電圧値がＶ１とＶｍａｘの間の電圧範囲（Ａ）に収まるように、設定される。ここで、Ｖ１は、ＭＣＵ６１がアラーム信号を正常と認識する入力電圧の下限値、すなわち入力閾値電圧であり、Ｖｍａｘは、ＭＣＵ６１の入力電圧の最大値Ｖｍａｘである。電圧範囲（Ａ）は、後述するエラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲である。言い換えれば、温度信号生成回路３４は、エラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲（Ａ）の中で、検出素子温度に応じて温度信号の電圧値を変化させる。

出力制御回路３７には、温度信号生成回路３４とエラー信号生成回路２３の出力信号が入力される。出力制御回路３７は、いずれかの出力信号をスイッチ３８により選択し、アラーム信号として出力端子ＡＬＭ（ＵＮ）からＭＣＵ６１に出力する。具体的には、通常時、すなわち保護回路２４が異常を検出せず、エラー信号生成回路２３がエラー信号を出力しない間、スイッチ３８はオフとなり、出力制御回路３７は温度信号をアラーム信号として選択し、出力する。すなわち、図５に示す電圧範囲（Ａ）の電圧値を持つ温度信号がアラーム信号として出力される。

一方、エラー信号生成回路２３がエラー信号を生成している期間、スイッチ３８はオンとなり、出力制御回路３７はエラー信号をアラーム信号として選択し、出力する。すなわち、ローレベル、例えば０Ｖのエラー信号がアラーム信号として出力される。

従って、ＭＣＵ６１は、アラーム信号の電圧値から、アラーム信号が温度信号かエラー信号かを判別することができる。つまり、ＭＣＵ６１は、電圧範囲（Ａ）内の電圧値を有するアラーム信号を温度信号と判別し、そうでないアラーム信号をエラー信号と判別することができる。なお、電圧範囲（Ａ）は、ＩＰＭ１０１に接続されるＭＣＵ６１に応じて定められる。ＭＣＵ６１の駆動電圧は一般的には５Ｖであり、入力閾値電圧は誤動作を避けるため駆動電圧の８０％程度に設定される。そのため、電圧範囲（Ａ）は、例えばＭＣＵ６１の駆動電圧５ＶからＭＣＵの入力閾値電圧４Ｖの範囲であっても良い。一方、ＭＣＵ６１にコンパレータ等を介してアラーム信号が入力され、またはＭＣＵ６１の入力部にコンパレータが内蔵された多段階の分解能を持つマイコンが採用される場合、入力閾値はＭＣＵ６１が自由に設定できる。従って、その場合は例えば駆動電圧５Ｖから０．５Ｖの範囲が電圧範囲（Ａ）であっても良い。

図６は、ＩＰＭ１０１における素子温度、温度信号、エラー信号生成回路２３の出力、およびアラーム信号の関係を示している。以下、図６を参照してＩＰＭ１０１の動作を説明する。素子温度が過熱保護トリップ温度Ｔ１以下の場合は、エラー信号生成回路２３の出力はハイレベルである。このとき、出力制御回路３７は、温度信号をアラーム信号として出力する。素子温度が過熱保護トリップ温度Ｔ１を超えると、温度監視回路２５が異常検出信号を出力し、エラー信号生成回路２３がエラー信号を出力する。すなわち、エラー信号生成回路２３はローレベルを出力する。出力制御回路３７は、エラー信号が出力されている間、温度信号に代えてエラー信号を選択しアラーム信号として出力する。エラー信号生成回路２３は、一定期間後または保護状態が解除されるとエラー信号の出力を終了する。すなわち、エラー信号生成回路２３の出力がハイレベルに戻る。エラー信号の出力が終了すると、出力制御回路３７は再び温度信号をアラーム信号として出力する。

実施の形態１のＩＰＭ１０１は、複数相の半導体素子であるＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６と、ＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６を駆動する複数相の駆動回路４１－４６と、ＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６の素子温度をそれぞれ検出する複数の温度検出素子５１－５６と、を備える。そして、各駆動回路４１－４６は、自相のＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６のゲート端子への入力を制御するゲート制御回路２１と、自相のＩＧＢＴ Ｔｒ１－Ｔｒ６の異常を検出する保護回路２４と、保護回路２４が異常を検出するとエラー信号を出力するエラー信号生成回路２３と、自相の半導体素子の素子温度に応じた電圧値の温度信号を生成する温度信号生成回路３４と、エラー信号生成回路２３がエラー信号を出力する間はエラー信号を選択し、エラー信号生成回路２３がエラー信号を出力しない間は温度信号を選択し、選択した信号をアラーム信号として出力する出力制御回路３７と、を備える。温度信号生成回路３４は、エラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲の中で、自相の半導体素子の素子温度に応じて温度信号の電圧値を変化させる。

以上の構成によれば、ＩＰＭ１０１はエラー信号と温度信号の出力端子を共用するため、素子温度をアナログ信号で出力するための出力端子を新たに設ける必要がなく、従来のＩＰＭのパッケージを流用することが可能である。

そして、アラーム信号がエラー信号であるか温度信号であるかは、アラーム信号の出力電圧により区別される。具体的には、エラー信号はローレベルの信号であり、例えば電圧値は０である。一方、温度信号の電圧値は、Ｖ１からＶｍａｘの間の電圧範囲（Ａ）にある。温度信号がアラーム信号となる場合、アラーム信号の電圧値は電圧範囲（Ａ）の中で半導体素子の素子温度に応じた値をとる。言い換えれば、アラーム信号に温度情報が重畳されている。

従って、ＭＣＵ６１は、従来どおりアラーム信号をデジタル信号として処理することにより、アラーム信号に重畳された温度情報を無視して、エラー信号のみを抽出し、異常状態を検出することが可能である。このように、実施の形態１のＩＰＭ１０１は、温度信号の出力機能を有さない従来のＩＰＭを前提としたＭＣＵに対しても問題なく動作するため、従来のＩＰＭとの互換性を有している。従って、インバータ組立時のみならず市場故障におけるＩＰＭの交換等においても必要なＩＰＭの種類を減らすことができ、作業時間の短縮または管理費用の圧縮が期待できる。

また、ＭＣＵ６１は、アラーム信号Ｎ＿ＡＬＭをアナログ信号処理する回路を追加することにより、ＩＧＢＴ Ｔｒ１の素子温度を連続的に確認することができる。そして、ＭＣＵ６１は、ＩＧＢＴ Ｔｒ１の素子温度が設定値を超えた場合に、駆動回路４１に対してＩＧＢＴ Ｔｒ１の駆動信号を制限する制御信号を出力する。これにより、ＩＧＢＴ Ｔｒ１への駆動信号が遮断され、ＩＰＭ１０１の安全性および長寿命化が実現する。

ＩＰＭ１０１は、温度信号とエラー信号の出力端子を共有するという点では特許文献１に記載の技術と共通する。しかし、特許文献１の技術では、アラーム信号がパルス幅またはＰＷＭ信号等の時間軸方向の情報を持つため、アラーム信号の出力が０Ｖ（Ｌ状態）でも異常状態とは限らず、アラーム信号の内容の判別に一定時間分の信号内容（ログ）が必要となる。そのため、ＩＰＭがアラーム信号を出力してからインバータ制御部が停止するまでに時間がかかり、その間駆動信号がＩＰＭに印加され続けるため、半導体素子またはインバータの故障確率が高まるという問題がある。また、温度情報を認識するにも一定の処理時間が必要となる。一方、ＩＰＭ１０１によれば、アラーム信号が０Ｖ（Ｌ状態）となる場合は保護機能が動作した異常状態に限定されるため、インバータ制御部で異常状態を素早く判別することが可能になる。

＜Ｃ．実施の形態２＞
図７は、実施の形態２のＩＰＭにおけるＵＮ相の駆動回路４１Ａの構成を示すブロック図である。実施の形態２のＩＰＭは、図３に示した実施の形態１のＩＰＭ１０１において、駆動回路の構成を変更したものである。実施の形態２のＩＰＭにおいて、各相の駆動回路はすべて同様の構成であるため、図７では代表してＵＮ相の駆動回路４１Ａの構成を示している。

図７に示すように、駆動回路４１Ａは、実施の形態１の駆動回路４１と比較すると、温度信号生成回路３４に代えて温度信号生成回路３４Ａを備え、出力制御回路３７に代えて出力制御回路３７Ａを備えている。温度信号生成回路３４Ａは、アンプ３５Ａと抵抗３６を備えている。温度信号生成回路３４Ａのアンプは、実施の形態１の温度信号生成回路３４のオペアンプ３５と異なり、温度信号を生成する際、温度情報検出回路３３の検出電圧に電圧Ｖｒｅｆを加算しない。従って、温度信号生成回路３４Ａが生成する温度信号はローレベルとなる。

エラー信号生成回路２３からエラー信号が出力制御回路３７Ａに入力されると、スイッチ３８はオンになり、ハイレベルのアラーム信号が出力端子ＡＬＭ（ＵＮ）から出力される。一方、エラー信号生成回路２３の出力信号がハイレベルであると、スイッチ３８はオフになり、温度信号生成回路３４Ａの出力であるローレベルの温度信号がアラーム信号として出力端子ＡＬＭ（ＵＮ）から出力される。従って、実施の形態２のＩＰＭでは、エラー信号を表す異常時のアラーム信号の出力電圧がハイレベルとなり、温度信号を表す正常時のアラーム信号の出力電圧がローレベルとなり、アラーム信号の極性が実施の形態１のＩＰＭ１０１と反転する。

＜Ｄ．実施の形態３＞
実施の形態３のＩＰＭおよび駆動回路の構成は、図３，４に示した実施の形態１のＩＰＭ１０１および駆動回路４１の構成と同様である。実施の形態１のＩＰＭ１０１では、図５に示したように、温度信号が素子検出温度に対して正の温度依存性を有する。これに対して、実施の形態３のＩＰＭでは、図８に示すように、温度信号が素子検出温度に対して負の温度依存性を有する。すなわち、実施の形態３の駆動回路において温度信号生成回路３４は、素子検出温度が高いほど、温度信号の電圧値を小さくする。

図９は、実施の形態３における素子温度、温度信号、エラー信号生成回路２３の出力、およびアラーム信号の関係を示している。温度信号が負の温度依存性を持つため、通常時においては検出素子温度が低いほどアラーム信号は高く、検出素子温度が高いほどアラーム信号は低くなりＭＣＵ６１の入力閾値に近づく。従って、アラーム信号の電圧値が入力閾値電圧Ｖ１付近にある場合に、ＭＣＵ６１が温度信号を表すアラーム信号をエラー信号と誤判定するリスクを小さくすることができる。

＜Ｅ．実施の形態４＞
図１０は、実施の形態４のＩＰＭが有するＵＮ相の駆動回路４１Ｂの構成を示すブロック図である。実施の形態４のＩＰＭの構成は、図３に示した実施の形態１のＩＰＭ１０１の構成と同様である。実施の形態４のＩＰＭにおいて、各相の駆動回路はすべて同様の構成であるため、図１０では代表してＵＮ相の駆動回路４１Ｂの構成を示している。

駆動回路４１Ｂは、実施の形態１の駆動回路４１と比較すると、温度信号生成回路３４に代えて温度信号生成回路３４Ｂを備えている。温度信号生成回路３４Ｂ以外の駆動回路４１Ｂの構成は駆動回路４１と同様である。温度信号生成回路３４Ｂは、温度信号生成回路３４の構成と比較すると、オペアンプ３５と抵抗３６との間にリミッタ３９を備えている。

リミッタ３９は、オペアンプ３５の出力電圧が設定値未満であれば一定の電圧値を出力し、オペアンプ３５の出力電圧が設定値以上であれば、オペアンプ３５の出力電圧に応じた電圧値を出力する。このリミッタ３９の動作により、温度信号生成回路３４Ｂは図１１に示す温度信号を出力する。図１１は、温度信号生成回路３４Ｂの出力する温度信号の検出素子温度との関係を示している。温度信号生成回路３４Ｂは、検出素子温度が予め定められた第１温度である設定温度Ｔ２未満であればアラーム信号の正常時を表す電圧、例えばＶｍａｘを温度信号の電圧値とし、検出素子温度が設定温度Ｔ２以上であれば検出素子温度に応じて温度信号の電圧値を変化させる。なお、設定温度Ｔ２は、常温以上かつ過熱保護トリップ温度Ｔ１以下とする。言い換えれば、過熱保護トリップ温度Ｔ１は第１温度よりも高い第２温度である。

一般的に、半導体素子はその接合温度が規定されている。例えば－３０℃以上１２５℃以下で規定されたＩＰＭではその温度範囲で使用する必要があるため、この規定の接合温度の範囲が電圧範囲（Ａ）内に割り当てられれば良い。しかし、アラーム信号を過熱保護に用いる場合、ＭＣＵ６１がアラーム信号から高精度に素子温度を検出するためには、電圧範囲（Ａ）における分解能を上げなければならない。この点、実施の形態４の駆動回路４１Ｂによれば、電圧範囲（Ａ）内に割り当てる半導体素子の接合温度の範囲を小さくなるため、電圧範囲（Ａ）における分解能が向上する。具体的には、例えば設定温度Ｔ２を６０℃とすると、実施の形態４の駆動回路４１Ｂは、検出素子温度が６０℃未満の場合にアラーム信号の出力電圧を一定の最大値とし、検出素子温度が６０℃以上になると、検出素子温度の増加に応じてアラーム信号の出力電圧を電圧範囲（Ａ）内で小さくする。つまり、６０℃以上の検出素子温度が電圧範囲（Ａ）に割り当てられる。これにより、電圧範囲（Ａ）における分解能が約２倍に上昇するためＭＣＵ６１は高精度に素子温度を検出することができる。

図１２は、実施の形態４の第１の変形例における温度信号と検出素子温度との関係を示す図である。図１２に示すように、温度信号生成回路３４Ｂは、ＩＧＢＴ Ｔｒ１の素子検出温度が過熱保護トリップ温度Ｔ１以上になると、温度信号の出力電圧をアラーム信号の異常時を表す電圧範囲（Ａ）外の一定値、例えば０にしても良い。具体的には、温度信号生成回路３４Ｂは、検出素子温度が第１温度である設定温度Ｔ２未満であれば、アラーム信号の正常時を表す電圧、例えばＶｍａｘを温度信号の電圧値とし、検出素子温度が設定温度Ｔ２以上かつ第２温度である過熱保護トリップ温度Ｔ１未満であれば、検出素子温度に応じて温度信号の電圧値を変化させ、検出素子温度が過熱保護トリップ温度Ｔ１以上であれば、温度信号の電圧値を０にしても良い。これにより、アラーム信号の出力電圧の電圧範囲（Ａ）が、設定温度Ｔ２以上かつ過熱保護トリップ温度Ｔ１未満の素子検出温度に割り当てられるため、電圧範囲（Ａ）における分解能がさらに向上する。

第１の変形例では、温度信号生成回路３４Ｂは、検出素子温度が設定温度Ｔ２以上かつ過熱保護トリップ温度Ｔ１未満の場合に、温度信号の検出素子温度に対する勾配を一定としていた。しかし、温度信号生成回路３４Ｂは、設定温度Ｔ２と過熱保護トリップ温度Ｔ１の間に第３温度である過熱アラーム温度Ｔ３を定め、検出素子温度が過熱アラーム温度Ｔ３以上の場合は、過熱アラーム温度Ｔ３未満の場合に比べて温度信号の検出素子温度に対する勾配を急峻にしても良い。このような実施例を実施の形態４の第２の変形例とする。

図１３は、実施の形態４の第２の変形例における温度信号と検出素子温度との関係を示す図である。素子検出温度が設定温度Ｔ２未満、または過熱保護トリップ温度Ｔ１以上の場合の温度信号は、第１の変形例と同様である。素子検出温度が設定温度Ｔ２から過熱アラーム温度Ｔ３にかけて上昇すると、温度信号の電圧値は一定の傾き、すなわち第１勾配で小さくなる。素子検出温度が過熱アラーム温度Ｔ３から過熱保護トリップ温度Ｔ１にかけて上昇すると、温度信号の電圧値はより大きな傾き、すなわち第１勾配より大きい第２勾配で小さくなる。

例えば、設定温度Ｔ２は６０℃、過熱アラーム温度Ｔ３は１００℃、過熱保護トリップ温度Ｔ１は１２５℃である。第２の変形例によれば、検出素子温度が１００℃以上１２５℃未満の範囲におけるアラーム信号の電圧値の検出素子温度に対する傾きが、検出素子温度が６０℃以上１００℃未満の範囲におけるアラーム信号の電圧値の検出素子温度に対する傾きより大きくなる。これにより、ＭＣＵ６１が過熱保護を行うために温度情報を必要とする温度範囲の分解能が高くなる。従って、第２の変形例によれば、限られた出力範囲内でＭＣＵ６１が検出温度を精度よく検知することが可能なアラーム信号をＩＰＭから出力することができる。

半導体素子の素子温度が上昇すると、半導体素子の接合部が劣化しＩＰＭの故障原因となる。具体的には、チップ直下のはんだ材のクラックが進展したり、チップ表面に接合されるワイヤが剥離または破断したりする。ＩＰＭの故障率は素子温度により指数関数的に変化することが一般に知られている。そこで、インバータ装置の設計寿命を満足させるために、インバータ制御部は半導体素子の温度を常時監視し、規定の温度以下で使用されるよう必要に応じて半導体装置を停止させたりインバータ装置の負荷を制限したりする必要がある。実施の形態４の第２の変形例によれば、過熱アラーム温度Ｔ３から過熱保護トリップ温度Ｔ１の範囲で温度情報の分解能が上昇するため、ＭＣＵ６１はこの温度範囲の素子温度を高精度に検知することが可能である。従って、ＭＣＵ６１はＩＰＭの寿命を損ねることなく、半導体素子を素子性能の限界まで使用することが可能となる。

＜Ｆ．実施の形態５＞
実施の形態１から実施の形態４のＩＰＭにおいて、各相の駆動回路中の温度信号生成回路は、各相のＩＧＢＴの素子検出温度に応じて温度信号の出力電圧を変化させていた。これに対して実施の形態５では、複数の駆動回路間で各相のＩＧＢＴの素子検出温度を送受信し、各相の駆動回路中の温度信号生成回路は、取得した複数の素子検出温度の最高温度に応じて温度信号の出力電圧を変化させる。

図１４は実施の形態５のＩＰＭ１０５の構成図である。ＩＰＭ１０５は、実施の形態１のＩＰＭ１０１の構成と比較すると、駆動回路４１－４６に代えて駆動回路８１－８６を備えており、各相の駆動回路間で温度情報を送受信するための電気的接続がなされている点が異なる。これらの電気的接続は、ワイヤまたはパターン等により実現する。具体的には、ＵＮ相の駆動回路８１は、ＶＮ相の駆動回路８２と配線７２で接続され、ＷＮ相の駆動回路８３と配線７３で接続されている。なお、ＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相の駆動回路８４－８６についても相互の電気的な絶縁を保ちつつ同様の信号配線が行われているが、図１４ではそれらの図示を省略している。

図１５は、ＩＰＭ１０５におけるＵＮ相の駆動回路８１の構成を示すブロック図である。ＩＰＭ１０５において各相の駆動回路８１－８６の構成は同様であるため、図１５には代表してＵＮ相の駆動回路８１の構成を示している。駆動回路８１は、実施の形態１のＩＰＭ１０１の駆動回路４１の構成に加えて、選択器４０を備えている。選択器４０は、温度情報検出回路３３と温度信号生成回路３４との間に設けられ、温度情報検出回路３３からＵＮ相のＩＧＢＴ Ｔｒ１の素子検出温度を取得する。さらに、選択器４０は、配線７２からＶＮ相のＩＧＢＴ Ｔｒ２の素子検出温度の情報を取得し、配線７３からＷＮ相のＩＧＢＴ Ｔｒ３の素子検出温度の情報を取得する。

選択器４０は、ＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相の素子検出温度を比較演算して最高温度を選択し、最高温度の温度情報を温度信号生成回路３４に出力する。ここで、例えばＶＮ相の素子検出温度が最高温度であるとすると、温度信号生成回路３４はＶＮ相のＩＧＢＴ Ｔｒ２の素子検出温度に応じた電圧値の温度信号を生成する。言い換えれば、選択器４０は、ＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相の半導体素子のうち最も素子温度が高い半導体素子を特定半導体素子として選択し、温度信号生成回路３４が、特定半導体素子の素子検出温度に応じた電圧値の温度信号を作成しているともいえる。

ここでは、ＵＮ相の駆動回路８１における処理を説明しているが、他相から半導体素子の素子温度を取得して、特定半導体素子を選択する上記の処理は、ＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相のうち一つの相（特定相）の駆動回路において行われれば良い。

実施の形態１－４では、ＭＣＵ６１は各相の駆動回路から各相の素子検出温度をアラーム信号として取得する。従って、ＭＣＵ６１は各相の素子検出温度を比較演算する必要がある。しかし、実施の形態５では、各相の駆動回路８１－８６は、複数相の素子検出温度の最高温度をアラーム信号としてＭＣＵ６１に出力する。従って、ＭＣＵ６１は、各相の素子検出温度の比較演算を行う必要がなく、演算処理が軽減される。

＜Ｇ．実施の形態６＞
実施の形態６のＩＰＭは、実施の形態１のＩＰＭ１０１において、複数の駆動回路４１－４６を一つの集積回路として半導体素子の近傍に搭載し、温度検出素子５１－５６を集積回路の表面または近傍に搭載したものである。温度検出素子５１－５６を半導体素子上にオンチップ温度センサとして設ける場合、半導体素子に温度検出用ダイオードを接続し、チップ上に配線を引き回して温度検出用電流を流すための回路を設け、温度検出用ダイオードに通電するための専用のワイヤパッドが必要となる。これにより、半導体素子の無効面積が増え、半導体素子が大型化し、コストアップが生じてしまう。

半導体素子の素子温度が上昇すると、半導体素子の近傍に配置された集積回路の温度も上昇する。従って、温度検出素子５１－５６が集積回路の温度を検出することにより、半導体素子の素子温度を簡易的に検出することが可能となる。これにより、より安価で小型なＩＰＭが実現する。

なお、上記では、実施の形態１のＩＰＭ１０１の変形として実施の形態６を説明したが、実施の形態６は他の実施の形態２－５にも適用可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１－６，４１－４６，４１Ａ，４１Ｂ，８１－８６ 駆動回路、１０，１１ インバータ、２１ ゲート制御回路、２２ ゲート駆動回路、２３ エラー信号生成回路、２４ 保護回路、２５ 温度監視回路、２６ 電流監視回路、２７ 電圧監視回路、２８ ＯＲゲート、２９，３４，３４Ａ，３４Ｂ 温度信号生成回路、３１，３６ 抵抗、３０，３５Ａ アンプ、３５ オペアンプ、３７，３７Ａ 出力制御回路、３８ スイッチ、３９ リミッタ、４０ 選択器、５１－５６ 温度検出素子、６１ ＭＣＵ、１００，１０１，１０５ ＩＰＭ。

Claims (5)

1. 複数相の半導体素子と、
   前記複数相の半導体素子を駆動する複数相の駆動回路と、
   前記複数相の半導体素子の素子温度をそれぞれ検出する複数の温度検出素子と、
   を備え、
   各前記駆動回路は、
   自相の前記半導体素子のゲート端子への入力を制御するゲート制御回路と、
   自相の前記半導体素子の異常を検出する保護回路と、
   前記保護回路が異常を検出すると、エラー信号を出力するエラー信号生成回路と、
   前記複数相の半導体素子のうちいずれか一つの半導体素子である特定半導体素子の前記素子温度に応じた電圧値の温度信号を生成する温度信号生成回路と、
   前記エラー信号生成回路が前記エラー信号を出力する間は前記エラー信号を選択し、前記エラー信号生成回路が前記エラー信号を出力しない間は前記温度信号を選択し、選択した信号をアラーム信号として出力する出力制御回路と、を備え、
   前記温度信号生成回路は、前記エラー信号の電圧値とは異なる電圧範囲の中で、前記特定半導体素子の素子温度に応じて前記温度信号の電圧値を変化させ、
   特定相の前記駆動回路は、他相の前記駆動回路から、他相の前記半導体素子の素子温度の情報を取得し、前記複数相の半導体素子のうち最も前記素子温度が高い半導体素子を前記特定半導体素子として選択する選択器を備える、
   インテリジェントパワーモジュール。
2. 前記温度信号生成回路は、前記特定半導体素子の素子温度が高いほど、前記温度信号の電圧値を小さくする、
   請求項１に記載のインテリジェントパワーモジュール。
3. 前記温度信号生成回路は、前記特定半導体素子の素子温度が第１温度未満である場合に、前記温度信号の電圧値を前記電圧範囲の中の一定値とし、前記特定半導体素子の素子温度が前記第１温度以上である場合に、前記特定半導体素子の素子温度に応じて前記温度信号の電圧値を変化させる、
   請求項１または２に記載のインテリジェントパワーモジュール。
4. 前記保護回路は、自相の前記半導体素子の素子温度が前記第１温度よりも大きい第２温度以上である場合に、自相の前記半導体素子の異常を検出し、
   前記温度信号生成回路は、前記特定半導体素子の素子温度が前記第１温度以上かつ前記第２温度未満である場合に、前記特定半導体素子の素子温度に応じて前記温度信号の電圧値を変化させ、前記特定半導体素子の素子温度が前記第２温度以上である場合に、前記温度信号の電圧値を前記電圧範囲の外の一定値とする、
   請求項３に記載のインテリジェントパワーモジュール。
5. 前記温度信号生成回路は、
   前記特定半導体素子の素子温度が前記第１温度以上であって、前記第１温度と前記第２温度の間の第３温度未満である場合には、前記温度信号の電圧値の前記特定半導体素子の素子温度に対する勾配を第１勾配とし、
   前記特定半導体素子の素子温度が前記第３温度以上かつ前記第２温度未満である場合には、前記温度信号の電圧値の前記特定半導体素子の素子温度に対する勾配を前記第１勾配より大きい第２勾配とする、
   請求項４に記載のインテリジェントパワーモジュール。

Images