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JP4078754B2 - Power switching device - Google Patents
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JP4078754B2 - Power switching device - Google Patents

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JP4078754B2 JP14057299A JP14057299A JP4078754B2 JP 4078754 B2 JP4078754 B2 JP 4078754B2 JP 14057299 A JP14057299 A JP 14057299A JP 14057299 A JP14057299 A JP 14057299A JP 4078754 B2 JP4078754 B2 JP 4078754B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワースイッチング装置に関し、特に半導体電力スイッチング素子の過熱保護技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力スイッチング素子が形成されたチップに温度検出用のダイオ−ド(オンチップ温度検出素子)を形成し、温度変化によるダイオ−ドの電圧降下量の変化に基づいてチップ温度を検出するオンチップ温度検出技術が提案されている。
このオンチップ温度検出式の電力スイッチング素子を電気自動車やハイブリッド車の走行モータ駆動用のインバータ装置に採用する場合、このインバータ装置の電力スイッチング素子が数百Vといった高電源電圧を給電されるため、チップ内の絶縁確保や端子数低減のためオンチップ温度検出素子にもこの高電源電圧に基づいて形成された電源電圧が印加されることが一般的である。
【0003】
一方、これら各温度検出回路からの出力信号を処理する制御回路は、所定の制御用電源電圧で作動するため、各電力スイッチング素子特にインバータ装置のハイサイド側の電力スイッチング素子の温度を個別に検出する各温度検出回路から制御回路への温度信号の伝送には、フォトカプラなどの電気絶縁回路を介在させていた。
【0004】
また、特開平4−295278号公報は、インバータ回路近傍に設けたサーミスタなどの温度センサ(オフチップ温度検出素子)によりインバータ回路の素子温度を検出し、それが許容温度以上となる場合にインバータ回路の出力周波数を低下させ、その主要な発熱素子(パワースィッチング素子)の電力損失すなわち発熱量を減らすインバータ装置を提案している。この場合には上記フォトカプラなどの電気絶縁回路は当然省略することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したサーミスタ(オフチップ温度検出素子)は、電力スイッチング素子に対して電気絶縁を確保して実装されるため、両者間の熱抵抗により電力素子発熱量によって双方の温度関係が非線形に変化するという特性をもち、また、熱応答性がオンチップ温度センサに比較して遅いため、モータロック時などの電力スイッチング素子の発熱量が急増する状況下ではオフチップ温度検出素子の出力信号により電力スイッチング素子を遮断保護することが容易ではなかった。
【0006】
一方、上記したダイオード(オンチップ温度検出素子)は、素子自体の温度検出感度(SN比)がオフチップ温度検出素子より相対的に低く、かつ、前述した高電圧動作インバータ回路に用いられる電力スイッチング素子、特にそのハイサイド側の電力スイッチング素子のオンチップ温度検出素子では制御回路への温度信号の伝送により更にSN比が低下して出力信号の精度が十分でないため、電力スイッチング素子の高精度の温度制御が容易でないという問題があった。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電力スイッチング素子の発熱量急増状況における電力スイッチング素子の保護機能を低下させることなく、電力スイッチング素子の高精度の温度維持制御が可能なパワースイッチング装置を提供することをその解決すべき課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のパワースイッチング装置は、電力スイッチング素子の温度保護、温度モニタのために、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値以上の場合にこの電力スイッチング素子の温度としてオンチップ温度検出素子の検出温度に基づいて形成した温度情報を優先して選択採用し、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値未満の場合にこの電力スイッチング素子の温度としてオフチップ温度検出素子の検出温度に連動する温度情報を優先して選択採用するので、電力スイッチング素子の高温領域で発熱量急増によりその温度が急上昇する場合にはオンチップ温度検出素子からの温度情報によりレスポンスに優れた素子の保護制御を実現でき、それ以外の場合には電力スイッチング素子の高精度の温度維持制御が可能となる。
【0009】
請求項2記載の構成によれば請求項1記載のパワースイッチング装置において更に、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値未満の場合にオフチップ温度検出素子の検出温度に連動するアナログ信号電圧を、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定しきい値以上の場合にオンチップ温度検出素子の検出温度がしきい値に達したことを示す所定のアナログ電圧値を、共通の信号線を通じて外部に出力するので、保護機能を低下することなくモニタ部へ温度情報を出力する信号線を簡素化することができる。更に説明すると、オンチップ温度検出素子の温度情報としては、オンチップ温度検出素子の検出温度が所定の警戒温度値に達したかどうかの温度情報を、オフチップ温度検出素子のアナログ電圧範囲とは異なるレベルのアナログ電圧値に変換するので、上記アナログ共通信号線によりこれら両温度検出素子の出力情報を多重伝送することができる。
【0010】
また、オンチップ温度検出素子からの温度情報は二値信号に変換されるので、オンチップ温度検出素子回路系とオフチップ温度検出素子回路系とが別の電源電圧で作動する場合において、オンチップ温度検出素子回路系からオフチップ温度検出素子回路系へ電気絶縁しつつ信号伝送することが簡素な回路で実現することができる。
【0011】
【発明を実施するための態様】
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。
【0012】
【実施例1】
本発明のパワースイッチング装置を、電気自動車又はハイブリッド自動車の走行モータを駆動制御するインバータ装置に適用した実施例について以下に説明する。
(全体構成)
実施例のインバータ装置の全体構成を図1を参照して説明する。
【0013】
このインバータ装置は、120度通電制御を行う車載用三相インバータであって、51は走行に必要な電力を供給する高電圧車載バッテリ(直流電源)、53はインバータ装置に印加される直流電源電圧を安定化するための平滑コンデンサ、54はインバータ装置の負荷となるモータ、61〜66は電力スイッチング素子で、本実施例ではIGBTを使用している。71〜76はフライホイールダイオ−ド(FWD)、55は電力スイッチング素子駆動制御用の制御信号形成回路や電力スイッチング素子の保護回路などを含むコントローラ(制御部)、81〜86は素子コントローラ、91〜96はコントローラ55と各素子コントローラ81〜86とを接続する信号線である。
【0014】
素子コントローラ81〜86は、それらが制御するIGBT61〜66と一対ずつモジュール化されており、コントローラ55から受け取ったゲート制御信号を電力増幅してIGBT61〜66のゲ−ト電極に印加するとともに、各IGBT61〜66の電圧、電流及び温度をモニタしてその異常発生時に異常信号をコントローラ55に出力し、更にある種類の異常状態を検出した場合に自己が制御するIGBTを一定期間、遮断(自己遮断)する。
(インバータ装置の基本動作)
本実施例の120度通電制御では、IGBT61〜66を断続制御することにより、ローサイドIGBT64〜66はそれぞれ120度ずつずれてオンされ、ハイサイドIGBT61〜63をDUTY制御して疑似三相交流電圧Vu、Vv、Vwを形成してモータ54に印加している。
(素子コントローラ内の温度検出回路の説明)
素子コントローラ81〜86の上記コントローラ55から受け取ったゲート制御信号を電力増幅してIGBT61〜66のゲ−ト電極に印加する構成及び動作並びに自己遮断のための回路及び動作は周知であるので、素子コントローラ84内の温度検出を行う温度検出回路の部分について図2を参照して以下に説明する。なお、他の素子コントローラは素子コントローラ84と同一機能を有している。
【0015】
100は、IGBT64が形成されたチップの主面に形成されて本発明でいうオンチップ温度検出素子を構成する接合ダイオ−ド(図示せず)を含むオンチップ温度センサ(図示せず)の出力電圧Vdiode(オンチップ温度信号Tjに相当)をしきい値電圧VOVLと比較する比較回路である。なお、上記オンチップ温度センサは、上記接合ダイオードの順方向電圧降下の温度特性を利用したものであるが、本発明の要旨とは異なるので説明は省略する。
【0016】
比較回路100は、しきい値電圧VOVLを発生する定電圧源101、オペアンプOVCA、抵抗R205、R206、R207からなるコンパレータと、トランジスタQ1、抵抗R208、R1、R2、R30からなるフォトカプラ入力側の増幅回路と、フォトカプラ102と、トランジスタQ2、抵抗R3、R5からなるフォトカプラ出力側の増幅回路とからなる。
【0017】
オンチップ温度センサの出力電圧Vdiodeが定電圧源101から抵抗R205を通じてコンパレータOVCAに入力されるしきい値電圧VOVL2より大きい場合(低温時)にはコンパレータOVCAの出力はローレベルとなり、トランジスタQ1はオフし、フォトカプラ102には高電圧Vrefが入力され、フォトカプラ102はトランジスタQ2にローレベル電圧を出力してそれをオンする。
【0018】
オンチップ温度センサの出力電圧Vdiodeがしきい値電圧VOVL2より低い場合(低温時)にはコンパレータOVCAの出力はハイレベルとなり、トランジスタQ1はオンし、フォトカプラ102には低電圧が入力され、フォトカプラ102はトランジスタQ2にハイレベル電圧を出力してそれをオフする。
200は、IGBT64が熱的過負荷であることを示すための定電圧VOLTCを発生する定電圧源である。
【0019】
300〜302はそれぞれのIGBTモジュール内にてIGBTのチップに近接して設けられたオフチップ温度検出センサであって、それぞれサーミスタRthU、RthV、RthWと、抵抗R24、R25、R26とを直列接続してなる抵抗分圧回路からなる。
401〜404は、オペアンプを利用した理想ダイオ−ド回路である。理想ダイオ−ド回路401は抵抗R9、R10、ダイオードD3、オペアンプU2Aからなり、理想ダイオ−ド回路402は抵抗R11、R12、ダイオードD4、オペアンプU3Aからなる。理想ダイオ−ド回路403は抵抗R13、R14、ダイオードD5、オペアンプU4Aからなり、理想ダイオ−ド回路404は抵抗R7、R6、ダイオードD1、オペアンプU1Aからなる。これら理想ダイオ−ド回路401〜404の出力単には抵抗R8を通じて高電圧Vrefが印加されるので、それらの出力端の電位Voは、各オペアンプU1A〜U4Aの入力電位のうち、最も低い電位のものに等しくなる。
【0020】
500は、スイッチングノイズを除去するローパスフィルタであって、抵抗R19とコンデンサC6により構成されている。
600は、出力バッファとしてのボルテージフォロア回路である。
なお、コンパレータOCVAの電源電圧Vcc1はIGBT4の駆動にも使われる制御電源電圧であって、IGBT61のエミッタ電位を基準として+15Vとされている。コンパレータ200の電源電圧VCC2は図示しない低電圧補機電池のGNDを基準とする+15Vの電圧とされる。低位電源電圧Vrefは、VCC2とGNDを共通にする電圧であって、+6Vとされている。
【0021】
図3に、オンチップ温度センサ、サーミスタ、IGBT64、フライホイールダイオ−ド74が実装されるモジュール内の配置状態を示す。
10、11はダイオード領域であって、2個並列に接続されて上記フライホイールダイオ−ド74を構成している。12はIGBT64が形成される電力スイッチング素子領域、13は窒化アルミなどのセラミック絶縁基板、14は絶縁基板13の表面に固着され、ダイオ−ド10、11のカソードとIGBT64のコレクタ電極とを接続する電極、15はサーミスタ(たとえばRthU)、16、17はサーミスタ15を半田固定し、外部接続用の電極を接続する電極、18は電力スイッチング素子領域12内の温度検出用ダイオ−ドで、高温になるほど順方向電圧が下がる負の温度特性を持つ。19、20は同様に温度検出用ダイオ−ドの信号を外部に出力するための接続を仲介する電極である。なお、図3は、サーミスタ(オフチップ温度検出素子)が一個の例を示している。
(素子コントローラ内の温度検出回路の動作説明)
温度検出回路各部の電位変化を示す図4に示すタイミングチャートを参照して、この温度検出回路の動作を説明する。
【0022】
時刻t1 までは、素子温度Tjは許容動温度範囲内にあるので、上記温度検出用ダイオ−ドの出力電圧Vdiodeは熱的過負荷判定用しきい値VOVL以上となっており、この時、Q1がオフ、Q3がオン、Q2がオンとなり、オペアンプU1Aの正入力端にはVref相当の電圧が印加される。
時刻t1 にて、インバータ負荷としてのモータがロック(拘束)状態になったとすると、IGBT61〜66には大きなロック電流が流れ、チップ特にIGBTの接合領域温度Tjが急激に上昇する。温度検出用ダイオ−ド18の検出温度はチップ温度の急変に追従して高速に変化するが、サーミスタRthU,RthV,RthWの出力値VthU,VthV,VthWはゆっくりと変化する。
【0023】
接合領域温度Tj(電力素子温度)は上昇し続け、時刻t2に出力電圧Vdiodeが熱的過負荷判定レベルVOVL2を下回ると、Q1、Q2が反転し、オペアンプU1Aの正入力端には、オンチップ温度検出素子の検出温度が熱的過負荷判定レベルを超えたことを外部に出力するための定電圧値VOLTCが印加される。
【0024】
理想ダイオ−ド回路401〜404はその出力端を共通接続されているので、この共通出力端には各オペアンプU1A〜U4Aの入力電圧のうちで最も低い値が出力される。
したがって、出力電圧Vdiodeが熱的過負荷判定しきい値電圧VOVL2より大きい場合(検出温度が熱的過負荷判定しきい値温度よりも低い場合)には、オペアンプU1Aの正端子入力がVrefとなっており、必ず各サーミスタ出力電圧VthU,VthV,VthWよりも高くなっているため、サーミスタ出力電圧VthU,VthV,VthWのうちでもっとも低い電圧、すなわち各サーミスタ検出値の中で最も高温を検出している電圧を選択して、フィルタ500を経由した後、バッファ600により外部にアナログ電圧信号として送出される。ECUはこの温度情報をもとに、電力素子温度が高くなってくると最大出力電流を制限するなどの出力制限制御を行う。
【0025】
また、IGBT温度が熱過負荷判定しきい値温度を超えると、オペアンプU1Aの正端子入力にそれを示す定電圧値VOLTCが入力されるため、VOLTC、VthU、VthV、VthWのうちのもっとも低い電圧が検出温度電圧VTOUTとして外部に送られる。
この検出温度電圧VTOUTは外部のモータ制御用のコントローラにより受信され、受信したコントローラは、定電圧値VOLTCを受信すると、ただちに制御周波数を低周波に切り換え、電力素子発熱を抑制するモータのロック保護制御を開始する。
【0026】
また、コントローラは、VthU、VthV、VthWを受信する場合でも、その値が定電圧値VOLTCにほぼ等しい場合には上記ロック保護制御を開始する。
(実施例効果)
以上の動作により、外部のコントローラは、サーミスタからの信号電圧をモニタするだけで、瞬時にロック保護制御を開始することが可能となり、アナログ絶縁された信号をモニタすることなく精度の高いロック保護制御が可能となる。
【0027】
また、温度変化が緩やかな定常動作時には安価で高精度なサーミスタの信号を利用するため、高精度の温度モニタが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のパワースイッチング装置を用いたインバータ装置を示す回路図である。
【図2】 図1に示す素子コントローラの温度検出回路の一例を示す回路図である。
【図3】 本発明のオンチップ温度検出素子及びオフチップ温度検出素子の配置の一例を示すパワーモジュールのセンサ配置図である。
【図4】 図2に示す回路各部の電位変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
15はサーミスタ(オフチップ温度検出素子)、18はダイオード(オンチップ温度検出素子)、61〜66はIGBT(電力スイッチング素子)、401〜404は理想ダイオ−ド回路403(モニタ部)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power switching device, and more particularly to an overheat protection technology for a semiconductor power switching element.
[0002]
[Prior art]
An on-chip temperature is formed by forming a diode for temperature detection (on-chip temperature detection element) on the chip on which the power switching element is formed, and detecting the chip temperature based on the change in the voltage drop of the diode due to the temperature change. Detection techniques have been proposed.
When this on-chip temperature detection type power switching element is employed in an inverter device for driving a traveling motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle, the power switching element of this inverter device is fed with a high power supply voltage such as several hundred volts. In general, a power supply voltage formed based on this high power supply voltage is applied to the on-chip temperature detection element in order to ensure insulation within the chip and reduce the number of terminals.
[0003]
On the other hand, since the control circuit that processes the output signal from each temperature detection circuit operates with a predetermined control power supply voltage, the temperature of each power switching element, particularly the power switching element on the high side of the inverter device, is individually detected. In order to transmit the temperature signal from each temperature detection circuit to the control circuit, an electrical insulation circuit such as a photocoupler is interposed.
[0004]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 4-295278 discloses an inverter circuit in which an element temperature of an inverter circuit is detected by a temperature sensor (off-chip temperature detection element) such as a thermistor provided in the vicinity of the inverter circuit, and the temperature exceeds an allowable temperature. Has been proposed to reduce the power loss of the main heating element (power switching element), that is, the amount of heat generated. In this case, the electric insulation circuit such as the photocoupler can naturally be omitted.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the above-described thermistor (off-chip temperature detection element) is mounted with electrical insulation secured to the power switching element, the temperature relationship between the two changes nonlinearly depending on the amount of heat generated by the power element due to the thermal resistance between them. In addition, the thermal response is slow compared to the on-chip temperature sensor, so power is generated by the output signal of the off-chip temperature detection element in situations where the amount of heat generated by the power switching element increases rapidly, such as when the motor is locked. It has not been easy to cut off and protect the switching element.
[0006]
On the other hand, the above-described diode (on-chip temperature detection element) has a temperature detection sensitivity (SN ratio) of the element itself relatively lower than that of the off-chip temperature detection element, and power switching used in the high voltage operation inverter circuit described above. In the on-chip temperature detection element of the power switching element on the high side thereof, the SN ratio is further reduced by the transmission of the temperature signal to the control circuit, and the accuracy of the output signal is not sufficient. There was a problem that temperature control was not easy.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and power switching capable of high-precision temperature maintenance control of the power switching element without degrading the protection function of the power switching element in a situation where the heat generation amount of the power switching element is rapidly increased. Providing a device is a problem to be solved.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The power switching device according to claim 1, wherein the temperature of the power switching element is the on-chip temperature when the detected temperature of the on-chip temperature detecting element is equal to or higher than a predetermined threshold value for temperature protection and temperature monitoring of the power switching element. The temperature information formed based on the detection temperature of the detection element is preferentially selected and adopted, and when the detection temperature of the on-chip temperature detection element is lower than a predetermined threshold , the temperature of the power switching element is set as the temperature of the off-chip temperature detection element. Since the temperature information linked to the detected temperature is selected and adopted with priority, when the temperature rises rapidly due to a rapid increase in the amount of heat generated in the high temperature region of the power switching element, the element has excellent response due to the temperature information from the on-chip temperature detection element Protection control can be realized, and in other cases, high-precision temperature maintenance control of the power switching element is possible It made.
[0009]
According to the configuration of claim 2, in the power switching device according to claim 1, an analog signal that is linked to the detection temperature of the off-chip temperature detection element when the detection temperature of the on-chip temperature detection element is less than a predetermined threshold value. When the detected temperature of the on-chip temperature detecting element is equal to or higher than a predetermined threshold value, a predetermined analog voltage value indicating that the detected temperature of the on-chip temperature detecting element has reached the threshold value is obtained via a common signal line. Since it outputs to the exterior, the signal line which outputs temperature information to a monitor part can be simplified, without reducing a protective function. More specifically, as the temperature information of the on-chip temperature detection element, the temperature information indicating whether or not the detection temperature of the on-chip temperature detection element has reached a predetermined warning temperature value is the analog voltage range of the off-chip temperature detection element. Since the analog voltage values are converted to different levels, the output information of both the temperature detecting elements can be multiplexed and transmitted by the analog common signal line.
[0010]
In addition, since the temperature information from the on-chip temperature detection element is converted into a binary signal, when the on-chip temperature detection element circuit system and the off-chip temperature detection element circuit system operate with different power supply voltages, It is possible to realize signal transmission from the temperature detection element circuit system to the off-chip temperature detection element circuit system while being electrically insulated with a simple circuit.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described based on the following examples.
[0012]
[Example 1]
An embodiment in which the power switching device of the present invention is applied to an inverter device that drives and controls a traveling motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle will be described below.
(overall structure)
The overall configuration of the inverter device of the embodiment will be described with reference to FIG.
[0013]
This inverter device is an in-vehicle three-phase inverter that performs 120-degree energization control, 51 is a high-voltage on-vehicle battery (DC power supply) that supplies power necessary for traveling, and 53 is a DC power supply voltage applied to the inverter device. Is a smoothing capacitor for stabilizing the voltage, 54 is a motor serving as a load of the inverter device, 61 to 66 are power switching elements, and an IGBT is used in this embodiment. Reference numerals 71 to 76 denote flywheel diodes (FWD), 55 denotes a controller (control unit) including a control signal forming circuit for power switching element drive control and a protection circuit for the power switching element, 81 to 86 denote element controllers, 91 Reference numerals -96 denote signal lines for connecting the controller 55 and the element controllers 81-86.
[0014]
The element controllers 81 to 86 are modularized in pairs with the IGBTs 61 to 66 that they control. The gate controllers received from the controller 55 are amplified and applied to the gate electrodes of the IGBTs 61 to 66. The voltage, current, and temperature of the IGBTs 61 to 66 are monitored, and an abnormality signal is output to the controller 55 when an abnormality occurs, and the IGBT controlled by itself when an abnormality of a certain type is detected is shut off for a certain period (self-interruption) )
(Basic operation of the inverter device)
In the 120-degree energization control of the present embodiment, the IGBTs 61 to 66 are intermittently controlled, so that the low-side IGBTs 64 to 66 are turned on by 120 degrees, and the high-side IGBTs 61 to 63 are DUTY controlled to perform the pseudo three-phase AC voltage Vu. , Vv, Vw are formed and applied to the motor 54.
(Explanation of temperature detection circuit in element controller)
Since the configuration and operation of power-amplifying the gate control signal received from the controller 55 of the element controllers 81 to 86 and applying them to the gate electrodes of the IGBTs 61 to 66 and the circuit and operation for self-interruption are well known. A portion of the temperature detection circuit for detecting the temperature in the controller 84 will be described below with reference to FIG. The other element controllers have the same function as the element controller 84.
[0015]
Reference numeral 100 denotes an output of an on-chip temperature sensor (not shown) including a junction diode (not shown) that is formed on the main surface of the chip on which the IGBT 64 is formed and constitutes the on-chip temperature detecting element referred to in the present invention. This is a comparison circuit that compares the voltage Vdiode (corresponding to the on-chip temperature signal Tj) with the threshold voltage VOVL. The on-chip temperature sensor uses the temperature characteristics of the forward voltage drop of the junction diode, but the description is omitted because it differs from the gist of the present invention.
[0016]
The comparison circuit 100 includes a constant voltage source 101 that generates a threshold voltage VOVL, an operational amplifier OVCA, a comparator that includes resistors R205, R206, and R207, and a photocoupler input side that includes a transistor Q1 and resistors R208, R1, R2, and R30. It comprises an amplifier circuit, a photocoupler 102, and an amplifier circuit on the photocoupler output side comprising a transistor Q2 and resistors R3 and R5.
[0017]
When the output voltage Vdiode of the on-chip temperature sensor is larger than the threshold voltage VOVL2 input to the comparator OVCA from the constant voltage source 101 through the resistor R205 (at low temperature), the output of the comparator OVCA becomes low level and the transistor Q1 is turned off. The high voltage Vref is input to the photocoupler 102. The photocoupler 102 outputs a low level voltage to the transistor Q2 and turns it on.
[0018]
When the output voltage Vdiode of the on-chip temperature sensor is lower than the threshold voltage VOVL2 (at low temperature), the output of the comparator OVCA becomes high level, the transistor Q1 is turned on, and a low voltage is input to the photocoupler 102. The coupler 102 outputs a high level voltage to the transistor Q2 and turns it off.
A constant voltage source 200 generates a constant voltage VOLTC for indicating that the IGBT 64 is in a thermal overload.
[0019]
300 to 302 is an off-chip temperature sensor provided near the tip of the IGB T at each I GB T within the module, each thermistor RthU, RthV, and RthW, a resistor R24, R25, R26 It consists of a resistance voltage dividing circuit formed by connecting in series.
401 to 404 are ideal diode circuits using operational amplifiers. The ideal diode circuit 401 includes resistors R9 and R10, a diode D3, and an operational amplifier U2A. The ideal diode circuit 402 includes resistors R11 and R12, a diode D4, and an operational amplifier U3A. The ideal diode circuit 403 includes resistors R13 and R14, a diode D5, and an operational amplifier U4A. The ideal diode circuit 404 includes resistors R7 and R6, a diode D1, and an operational amplifier U1A. Since the outputs of these ideal diode circuits 401 to 404 are simply applied with the high voltage Vref through the resistor R8, the potential Vo at their output terminals is the lowest of the input potentials of the operational amplifiers U1A to U4A. Is equal to
[0020]
Reference numeral 500 denotes a low-pass filter that removes switching noise, and includes a resistor R19 and a capacitor C6.
Reference numeral 600 denotes a voltage follower circuit as an output buffer.
The power supply voltage Vcc1 of the comparator OCVA is a control power supply voltage that is also used for driving the IGBT 4, and is set to + 15V with respect to the emitter potential of the IGBT 61. The power supply voltage VCC2 of the comparator 200 is set to a voltage of + 15V with reference to GND of a low voltage auxiliary machine battery (not shown). The low power supply voltage Vref is a voltage that makes VCC2 and GND common, and is + 6V.
[0021]
FIG. 3 shows an arrangement state in a module on which the on-chip temperature sensor, thermistor, IGBT 64, and flywheel diode 74 are mounted.
Reference numerals 10 and 11 denote diode regions, which are connected in parallel to constitute the flywheel diode 74. 12 is a power switching element region in which the IGBT 64 is formed, 13 is a ceramic insulating substrate such as aluminum nitride, 14 is fixed to the surface of the insulating substrate 13, and connects the cathodes of the diodes 10 and 11 and the collector electrode of the IGBT 64. Electrode, 15 is a thermistor (for example, RthU), 16 and 17 are electrodes for soldering the thermistor 15 and connecting electrodes for external connection, and 18 is a diode for temperature detection in the power switching element region 12, It has a negative temperature characteristic that the forward voltage decreases. Similarly, reference numerals 19 and 20 denote electrodes that mediate connection for outputting a temperature detection diode signal to the outside. FIG. 3 shows an example in which there is one thermistor (off-chip temperature detection element).
(Explanation of operation of temperature detection circuit in element controller)
The operation of this temperature detection circuit will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 4 showing the potential change of each part of the temperature detection circuit.
[0022]
Until the time t1, since the element temperature Tj is within the allowable dynamic temperature range, the output voltage Vdiode of the temperature detecting diode is equal to or higher than the thermal overload determination threshold VOVL. At this time, Q1 Is off, Q3 is on, Q2 is on, and a voltage equivalent to Vref is applied to the positive input terminal of the operational amplifier U1A.
Assuming that the motor as the inverter load is locked (restrained) at time t1, a large lock current flows through the IGBTs 61 to 66, and the junction region temperature Tj of the chip, particularly the IGBT, rapidly increases. The detected temperature of the temperature detecting diode 18 changes rapidly following the sudden change in the chip temperature, but the output values VthU, VthV, VthW of the thermistors RthU, RthV, RthW change slowly.
[0023]
When the junction region temperature Tj (power element temperature) continues to rise and the output voltage Vdiode falls below the thermal overload determination level VOVL2 at time t2, Q1 and Q2 are inverted, and the operational amplifier U1A has an on-chip on the positive input terminal. A constant voltage value VOLTC for outputting to the outside that the detected temperature of the temperature detecting element has exceeded the thermal overload determination level is applied.
[0024]
Since the ideal diode circuits 401 to 404 have their output terminals connected in common, the lowest value among the input voltages of the operational amplifiers U1A to U4A is output to the common output terminal.
Therefore, when the output voltage Vdiode is higher than the thermal overload determination threshold voltage VOVL2 (when the detected temperature is lower than the thermal overload determination threshold temperature), the positive terminal input of the operational amplifier U1A becomes Vref. Since the thermistor output voltages VthU, VthV, and VthW are always higher than the thermistor output voltages VthU, VthV, and VthW, the lowest voltage among the thermistor output voltages VthU, VthV, and VthW, that is, the highest temperature among the thermistor detection values is detected. The selected voltage is passed through the filter 500, and then sent to the outside as an analog voltage signal by the buffer 600. Based on this temperature information, the ECU performs output limiting control such as limiting the maximum output current when the power element temperature increases.
[0025]
Further, when the IGBT temperature exceeds the thermal overload determination threshold temperature, the constant voltage value VOLTC indicating the same is input to the positive terminal input of the operational amplifier U1A, so the lowest voltage among VOLTC, VthU, VthV, and VthW Is sent to the outside as the detected temperature voltage VTOUT.
The detected temperature voltage VTOUT is received by an external controller for motor control. Upon receiving the constant voltage value VOLTC, the received controller immediately switches the control frequency to a low frequency and controls motor lock protection to suppress power element heat generation. To start.
[0026]
Even when VthU, VthV, and VthW are received, the controller starts the lock protection control if the value is substantially equal to the constant voltage value VOLTC.
(Example effect)
With the above operation, the external controller can start the lock protection control instantly only by monitoring the signal voltage from the thermistor, and the lock protection control with high accuracy without monitoring the analog isolated signal. Is possible.
[0027]
Further, since the thermistor signal is inexpensive and highly accurate during steady operation where the temperature change is gradual, it is possible to monitor the temperature with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an inverter device using a power switching device of the present invention.
2 is a circuit diagram showing an example of a temperature detection circuit of the element controller shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a sensor arrangement diagram of a power module showing an example of arrangement of an on-chip temperature detection element and an off-chip temperature detection element of the present invention.
4 is a timing chart showing potential changes in various parts of the circuit shown in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
15 is a thermistor (off-chip temperature detection element), 18 is a diode (on-chip temperature detection element), 61 to 66 are IGBTs (power switching elements), and 401 to 404 are ideal diode circuits 403 (monitor unit).

Claims (2)

電力スイッチング素子、
前記電力スイッチング素子と同一チップに集積されたオンチップ温度検出素子、
前記チップに近接して設けられたオフチップ温度検出素子、及
び、
前記両温度検出素子の検出温度に基づいて前記電力スイッチング素子の温度状態をモニタするモニタ部、
を備え、
前記モニタ部は、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度があらかじめ定められたしきい値未満の場合に前記チップの温度として前記オフチップ温度検出素子の前記検出温度を優先して選択し、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が前記しきい値以上の場合に前記チップの温度として前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度を優先して選択することを特徴とするパワースイッチング装置。
Power switching element,
An on-chip temperature detection element integrated on the same chip as the power switching element;
An off-chip temperature detecting element provided close to the chip, and
A monitor unit for monitoring the temperature state of the power switching element based on the detected temperatures of the two temperature detecting elements;
With
The monitor unit, the detected temperature is the detection temperature of the off-chip temperature sensing element preferentially select as the temperature of the chip in the case of less than a predetermined threshold of the on-chip temperature sensing element, power switching device, characterized in that the detected temperature of the on-chip temperature sensing element is preferentially selected the detected temperature of the on-chip temperature sensing element as a temperature of the chip in the case of more than the threshold value.
請求項1記載のパワースイッチング装置において、
前記モニタ部は、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が所定しきい値未満の場合に前記オフチップ温度検出素子の前記検出温度に連動するアナログ信号電圧を、前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が所定しきい値以上の場合に前記オンチップ温度検出素子の前記検出温度が前記しきい値に達したことを示す所定のアナログ電圧値を、共通の信号線に重畳して外部に出力することを特徴とするパワースイッチング装置。
The power switching device according to claim 1, wherein
The monitor unit outputs an analog signal voltage linked to the detected temperature of the off-chip temperature detecting element when the detected temperature of the on-chip temperature detecting element is less than a predetermined threshold value. When the detected temperature is equal to or higher than a predetermined threshold, a predetermined analog voltage value indicating that the detected temperature of the on-chip temperature detecting element has reached the threshold is superimposed on a common signal line and output to the outside A power switching device.
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