JP4892032B2

JP4892032B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP4892032B2
Application number: JP2009106712A
Authority: JP
Inventors: 友哉亀澤; 直樹高田; 雅之広田; 正宏平賀; 敏井堀
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd; Hitachi KE Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd; Hitachi KE Systems Ltd
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: JP2009171842A; JP2005252090A

Description

本発明は、半導体素子の温度検出技術に係り、特に電力変換装置に使用される半導体素子の保護に必要な温度検出技法に関する。

一般に、半導体素子にはスイッチング損失があり、このため、特にインバータなどの電力変換装置に用いられているパワー半導体素子(電力用半導体素子)ではかなりの発熱を伴ない、従って、過大な電流が流れ、冷却能力が追いつかなくなると、発熱により温度が上昇し、そのまま放置すると許容温度を越え、熱によって破壊されてしまう虞れがある。

そこで、電力変換装置では、半導体素子が過熱により破壊されるのを防止するため、熱保護機能を設けて対応するのが通例であるが、このためには、半導体素子の温度を検出する必要がある。

ここで、図５は、電力変換装置の代表例であるインバータ装置の一般的な構成を示したもので、この場合、装置の全体は、コンバータと呼ばれている順変換部１００と平滑部２００、インバータと呼ばれている逆変換部３００、制御部４００、それに操作部５００の各ブロックを主要部として備えている。

そして、商用電源などの電源６００から供給される３相の交流電力を、例えば三相ブリッジ・ダイオード回路からなる順変換部１００で直流電力に変換し、例えば電解コンデンサからなる平滑部２００により平滑化し、逆変換部３００で所望の周波数の３相交流電力Ｕ、Ｖ、Ｗに変換して誘導電動機ＩＭなどの負荷７００に供給するようになっている。

次に、図６は、パワー半導体素子として、例えばＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)を用いた場合の逆変換部３００の詳細図で、図において、１〜６(１、２、３、４、５、６)がＩＧＢＴからなるパワー半導体素子で、図示のように、これらはＩＧＢＴと、これに逆並列接続したダイオード(フライホイール・ダイオード)で構成されている。

このとき、逆変換部３００では、直流の＋端子Ｐ側が上アームで、−端子Ｎ側は下アームと呼ばれるが、ここで、各アームのパワー半導体素子４〜６は、制御部４００から供給されるゲート駆動信号により、上アームと下アームが交互にスイッチング制御され、逆変換動作が得られることになる。

そして、このとき＋端子Ｐから流入した電流は、上アームの各パワー半導体素子１〜３のコレクタからエミッタを通って負荷７００に流れ(ＮＰＮ型の場合)、下アームでは各パワー半導体素子４〜６のコレクタからエミッタを通って、負荷７００から直流−端子Ｎに至る。

この電流の通流により、各パワー半導体素子１〜６では、主としてコレクタとエミッタの接合部(ジャンクション)で熱が発生し、従って、例えば過負荷状態になったなど、何らかの理由により、パワー半導体素子１〜６のコレクタとエミッタの間に流れる電流が過大になれば、パワー半導体素子の温度が上昇し、限度を越えた場合は素子が破壊され、場合によっては電力変換装置そのものが破壊されてしまう虞れが生じてしまう。

そこで、制御部４００は、上記したように、パワー半導体素子の温度を検出し、検出した温度が予め定めてある所定の温度、例えば８０℃に達したときは、パワー半導体素子の通電を遮断(ＯＦＦ)し、パワー半導体素子の発熱を止めて温度の上昇を抑え、これによりパワー半導体素子の保護と、電力変換装置の保護が与えられるようにするのである。

このとき、従来技術では、パワー半導体素子が配置されている冷却フィンに温度検出素子を設け、冷却フィンの温度を検出して半導体素子の温度の検出値とする方法について開示している(例えば、特許文献１参照。)。

ここで、図７は、従来技術におけるパワー半導体素子の配置の一例で、ここで部品７〜１２(７、８、９、１０、１１、１２)が各々パワー半導体素子１〜６(図６)のパッケージに相当し、これらが、図示のように、冷却フィン１５の素子取付面に所望の配置形式で取付けられていて、各部品７〜１２に対する接続は、回路基板１３に形成してある回路パターンにより与えられ、これにより逆変換部３００が構成されるようになっている。

なお、この図７では、回路基板１３が冷却フィン１５から離された状態で示されているが、実際には、回路基板１３が各部品７〜１２にかぶせられ、冷却フィン１５の素子取付面を覆うようにして、冷却フィン１５に回路基板１３が取付けられる。

そして、この図７の従来技術では、図示のように、冷却フィン１５の素子取付面において、各パワー半導体素子１〜６のパッケージからなる部品７〜１２の近傍に、各々温度検出素子１６〜２１を配置し、各々からリード線１６ａ〜２１ａを引出して回路基板１３に接続している。

このとき、上記した冷却フィン１５の素子取付面における所望の配置形式としては、図６の回路構成におけるパワー半導体素子１〜６の配置状況に合わせて、上側に上アームのパワー半導体素子１、２、３の部品７、８、９を横に並べて配置し、下側に下アームのパワー半導体素子４、５、６の部品１０、１１、１２を横に並べて配置するのが一般的である。

そして、このとき、冷却フィン１５は、電力変換装置が使用状態にされたとき、その素子取付面がほぼ垂直になるようにして、当該電力変換装置の本体に組み付けられるのが一般的な使用態様である。

一方、他の従来技術では、半導体素子が封入されたモジュールを用いた電力変換装置において、当該モジュール内に温度検出素子も一緒に封入させ、これにより温度を検出する方法について開示している(例えば、特許文献１参照。)。

特開２００２−１０１６６８号公報特開平１１−１４２２５４号公報

上記従来技術は、温度検出素子の配置に配慮がされておらず、熱保護機能を備えた電力変換装置の小型化や、低価格化に問題があった。

上記したように、図７で説明した従来技術では、パワー半導体素子のパッケージの近くの冷却フィン上に温度検出素子を配置しているが、この場合、冷却フィン上に温度検出素子を配置するだけの面積が当該冷却フィンに余分に必要になる。

しかも、このとき、温度検出素子による検出結果を取り出すためのリード線を接続したり、温度検出素子を冷却フィンから電気的に絶縁したりする工程が必要になるので、このため電力変換装置の小型化や、低価格化が困難になってしまうのである。

また、上記した他の従来技術では、内部に温度検出素子が封入された結果、その分、モジュールが大型化する上、モジュールに余分な端子が必要になるので、この点でもモジュールが大型化し、従って、やはり小型化や、低価格化が困難になってしまうのである。

本発明は、小型化や、低価格化について好適な半導体素子の温度検出方法及び電力変換装置を提供することにある。

上記目的は、逆変換部に半導体素子を用いる電力変換装置であって、
前記電力変換装置の使用されている状態において横方向に並べられて配置されている半導体素子の段が複数段あり、前記複数段のうちの最も上側の段の半導体素子のうちの中央部に配置される半導体素子のエミッタ端子が接続される回路基板上の回路パターンに接しているとともに、前記中央に配置される半導体素子の接合部の温度変化を検出可能な距離に配置された温度検出素子によって温度検出を行なうことにより達成される。

このとき、前記温度検出素子はＮ側の直流電流が流れる半導体素子の接合部に対するエミッタ端子が接続される回路基板に配置されているようにしても上記目的が達成され、同じく、前記温度検出素子は、前記回路基板の回路パターンに接して配置されることによっても上記目的が達成される。

上記手段によれば、半導体素子の破壊を防ぐための温度検出のための温度検出素子を、例えばパワー半導体素子のエミッタ端子かコレクタ端子の近くに配置する。このとき、前記温度検出素子はパワー半導体素子が実装される回路基板に直接配置できるので、パワー半導体素子が配置された冷却フィンから電気的な絶縁をする必要が無く、配線する為の工数も低減が可能となる。

本発明によれば、温度検出素子が回路基板に取付けられるので、冷却フィンの面積や、冷却フィンから電気的に絶縁してパワー半導体素子の温度を検出し、検出結果を他の基板へ伝達する為の部品が不要になり、且つ配線のための工数も不要になる。

従って、本発明によれば、半導体素子に対する熱保護機能の付与が安価に実現でき、電力変換装置の小型化や、組立時間の短縮も実現することができる。

本発明による半導体素子の温度検出方法及び温度検出機能を備えた電力変換装置の一実施形態を示す構成図である。本発明の一実施形態を示す分解図である。本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の配置例を示す説明図である。本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の他の配置例を示す説明図である。電力変換装置の一例を示すブロック構成図である。電力変換装置における逆変換部の一例を示す回路図である。従来技術による電力変換装置の一例を示す構成図である。

以下、本発明による半導体素子の温度検出方法及び温度検出機能を備えた電力変換装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態で、図において、２２は温度検出素子であり、その他の構成要素は、図７で説明した従来技術と同じで、パワー半導体素子１〜６をパッケージした部品７〜１２が冷却フィン１５に配置され、これに回路基板１３が取付けられているものである。

このとき、温度検出素子２２には、一例としてサーミスタ(登録商標)が用いられているが、これも、特に説明しなかったが、従来技術の場合と同じであり、その他、全体構成は図５に示された従来技術と同じで、このとき逆変換部３００の回路構成も図６に示した従来技術の場合と同じである。

しかし、この図１の実施形態では、図２に示すように、この温度検出素子２２が冷却フィン１５ではなく、回路基板１３に取付けてあり、従って、この点で、冷却フィン１５に取付けてある従来技術とは異なっていることになる。ここで、この図２は、従来技術の説明に使用した図７と同じく、回路基板１３を冷却フィン１５から離した状態を示したものである。

しかも、この実施形態では、温度検出素子がこの温度検出素子２２だけ、つまり、これ１個だけであり、従って、この点でも、各パワー半導体素子１〜６毎に計６個設けてある従来技術とは異なっている。

ここで、この１個の温度検出素子２２は、図１に示されているように、冷却フィン１５に回路基板１３を組合わせたとき、図で上側の真中にある部品８にパッケージされているパワー半導体素子２(図６参照)のコレクタ端子、又はエミッタ端子の近傍で、且つ、これらの端子が接続される回路パターンの近傍に位置するようにして、回路基板１３の回路パターンが形成されている方の面に取付けてある。

そこで、制御部４００は、この温度検出素子２２から取込んだ信号により、当該温度結果素子２２の温度を検出し、検出した温度が予め定めてある所定の判定温度、例えば８０℃の判定温度に達したとき、全てのパワー半導体素子１〜６のゲートをＯＦＦにし、各体素子のコレクタ−エミッタ間の通電を遮断させる。

この結果、各パワー半導体素子１〜６の発熱が止められるので、以後、パワー半導体素子１〜６の温度上昇は抑えられ、これによりパワー半導体素子と電力変換装置全体の熱保護が得られることになるのであるが、ここで、次に、この実施形態によれば、温度検出素子２２を冷却フィン１５に取付けることなく、しかも、この１個の温度検出素子２２だけで、全てのパワー半導体素子１〜６と電力変換装置全体の熱保護が得られる理由について説明する。

まず、パワー半導体素子をパッケージした場合、そのコレクタとエミッタの端子は、その素子の電流値の大きさに応じてかなりの断面積を有し、このため、それによる熱伝導もかなり大きく、従って、接合部(ジャンクション)で発生した熱は端子により効率的にパッケージ外に伝達される。

そして、このように端子により効率的に外部に導き出されてくる熱は、それが回路基板１３の回路パターンに接続されていることから、当該回路パターンに伝達され、回路基板１３の温度を局部的に上昇させることになる。

そこで、回路基板１３に温度検出素子２２を取付けたとしても、それをパワー半導体素子２(図６参照)のコレクタ端子、又はエミッタ端子の近傍で、且つ、これらの端子が接続される回路パターンの近傍に位置するようにしてやれば、温度検出素子２２を冷却フィン１５に取付けた場合と同等の温度検出が得られることになる。

次に、この実施形態では、冷却フィン１５は、電力変換装置が使用状態にされたとき、その素子取付面がほぼ垂直になるようにして、当該電力変換装置の本体に組み付けられている。

そうすると、この実施形態のように、上側に上アームのパワー半導体素子１、２、３の部品７、８、９を横に並べて配置し、下側に下アームのパワー半導体素子４、５、６の部品１０、１１、１２を横に並べて冷却フィン１５の素子取付面に配置した場合、各素子の発熱による冷却フィン１５の温度は、矢印Ａで示すように、上側に向かって、より高くなる。

また、このとき、各パワー半導体素子１〜６は何れも同じように発熱するので、冷却フィン１５の中央では熱が集中し、温度上昇が大きくなるので、冷却フィン１５の中央の上側にあるパワー半導体素子２、つまり部品８の温度が一番高くなる。

そして、この実施形態では、このパワー半導体素子２、すなわち部品８の近傍に温度検出素子２２を配置したので、この温度検出素子２２は、６個のパワー半導体素子１〜６の中で温度が一番高くなるパワー半導体素子２の温度を検出していることになる。

ここで、熱保護のためには、同一冷却フィンに取付けてある複数個のパワー半導体素子の中で、最も温度が高い素子の温度が熱保護を要する温度に達したとき、保護機能が作動するようにしてやれば良いことはいうまでもない。

従って、この実施形態によれば、温度検出素子２２を冷却フィン１５に取付けることなく、しかも、この１個の温度検出素子２２だけで、全てのパワー半導体素子１〜６と電力変換装置全体の熱保護が得られるのである。

そして、この結果、この実施形態によれば、図７で説明した従来技術のように、冷却フィン１５に温度検出素子１６〜２１の６個もの温度検出素子を配置する必要がないので、これらの設置に要する工数と、温度検出素子の配線に要する工数が低減でき、且つ、前記配線に必要な電線などの部品も削除することができる。

次に、この実施形態における温度検出素子２２の配置について、更に具体的に説明すると、これは、上記したように、他のパワー半導体素子の温度上昇の影響を最も多く受けるパワー半導体素子２がパッケージされた部品８の近傍になるようにして回路基板１３に配置する。

ここで、この実施形態で、温度検出素子２２が温度検出対象となるパワー半導体素子の近傍に設けてある理由は、当該素子の接合部の温度を検出したいがためであり、このためパワー半導体素子の近傍とはいうものの、できればコレクタ端子、又はエミッタ端子の近傍であるのが望ましい。

ここで、まず、図３は、温度検出素子２２をパワー半導体素子１〜６(部品７〜１２)のエミッタ端子２７の近傍に配置した場合の一例で、次に、図４は、温度検出素子２２をパワー半導体素子１〜６(部品７〜１２)のコレクタ端子２８の近傍に配置した場合の一例である。

一方、この温度検出素子２２は、その検出信号が制御部４００に取り込まれ、ここで、上記したように、熱保護動作に使用されるが、このとき、制御部４００は、逆変換部３００と同じ電位を基準にしているので、温度検出素子２２による検出結果も、制御部４００と同電位を基準とした信号として、この制御部４００に入力される必要がある。

このとき、逆変換部３００は、制御部４００から供給されるスイッチング信号により制御されるので、逆変換部３００と制御部４００で基準となる電位は、等しく図６における直流−端子Ｎの電位となるようにしてあり、従って、この場合、パワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６のエミッタ端子の電位となる。

そこで、いま、図３に示すように、温度検出素子２２をエミッタ端子２７の近傍に配置し、且つ、この場合、パワー半導体素子が、図１におけるパワー半導体素子４、又はパワー半導体素子５、或いはパワー半導体素子６の何れかであったとすれば、そのエミッタ端子２７の電位は、制御部４００が基準とする電位と同じになり、従って、温度検出素子２２による検出結果を直接、制御部４００に入力することができる。

一方、ここで、図３に示したパワー半導体素子が図１におけるパワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導体素子３の何れかであったとすれば、そのエミッタ端子２７の電位は、３相交流出力のＵ、Ｖ、Ｗの何れかの相の電位と同じ変化を示し、この場合、制御部４００で基準としている電位に比べ高電圧になってしまう。

従って、この場合は、温度検出素子２２とエミッタ端子２７の間に、当該電力変換装置に要求されている仕様規格に定められた絶縁距離をとる必要があり、この場合、温度検出素子２２はパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のエミッタ端子２７の近傍に配置するのが困難になる。

そこで、この場合は、パワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導体素子３のエミッタ端子２７の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用いて電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

しかも、この場合、パワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のエミッタ端子２７の電位は、電力変換装置運転中は電位が激しく変動しているため、温度検出素子２２の出力はノイズの影響を受けやすくなることにも注意が必要となる。

次に、図４に示したように、温度検出素子２２をコレクタ端子２８の近傍に配置した場合は、図１におけるパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のコレクタ端子２７の電位は直流＋端子Ｐと同じ高電圧になる。

そこで、このようにパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３、のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置した場合は、温度検出素子２２とコレクタ端子２８の間に電力変換装置が取得する必要のある仕様規格に定められた絶縁距離をとる必要がある。

そして、このように絶縁距離をとった場合、温度検出素子２２をパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のコレクタ端子２８の近傍に配置するのが困難になる。

そこで、この場合も、パワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導体素子３のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用いて電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

また、この図４に示されたパワー半導体素子が、図６におけるパワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６の何れかであったとすれば、これらのコレクタ端子２８は３相交流出力のＵ、Ｖ、Ｗの何れかの相の電位と同じ変化を示し、この場合、制御部４００で基準としている電位に比べ高電圧になってしまう。

従って、この場合は、温度検出素子２２とコレクタ端子２８の間に、当該電力変換装置に要求されている仕様規格に定められた絶縁距離をとる必要があり、この場合、温度検出素子２２はパワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６のコレクタ端子２８の近傍に配置するのが困難になる。

そこで、この場合は、パワー半導体素子４又はパワー半導体素子５、或いはパワー半導体素子６のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用いて電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

しかも、この場合、パワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６のコレクタ端子２８の電位は、電力変換装置運転中は電位が激しく変動しているため、温度検出素子２２の出力はノイズの影響を受けやすくなることにも注意が必要となる。

従って、本発明の実施形態としては、図３に示したように、温度検出素子２２をパワー半導体素子１〜６のエミッタ端子２７の近傍に配置した上で、当該温度検出素子２２がエミッタ端子２７の近傍に配置されたパワー半導体素子が、図１に示したパワー半導体素子２、つまり部品８となるように構成するのが好ましい。

なお、上記の実施形態では、パワー半導体素子として、コレクタ端子とエミッタ端子を備えたものがもちいられているが、その他の端子名を持つ半導体素子であっても、そのパワー半導体素子のジャンクションに近い端子の近傍に温度検出素子を配置することによりパワー半導体素子の温度検出ができるようにした本発明の利点は変らない。

また、上記実施形態では、温度検出素子が１個の場合について説明したが、パワー半導体素子の各々の近傍に個別に複数個、配置されていてもよい。

更に、上記の実施形態では、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できるようにした電力変換装置について記載しているが、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できるようにした電力変換装置ではなくても、パワー半導体素子を用いる電力変換回路であれば、本発明によるパワー半導体素子の温度検出の利点は変らない。

１〜６パワー半導体素子
７〜１２部品(パワー半導体素子１〜６がパッケージされた部品)
１３電力変換装置の回路基板
(制御部４００などが搭載された回路基板)
２２温度検出素子
(回路基板１３の回路パターン面に配置された温度検出素子)
２７パワー半導体素子のエミッタ端子
２８パワー半導体素子のコレクタ端子
１００順変換部(コンバータ)
２００平滑部(コンデンサ)
３００逆変換部(インバータ)
４００制御部
５００操作部
６００電源(商用電源)
７００負荷(ＩＭ(誘導電動機))

Claims

逆変換部に半導体素子を用いる電力変換装置であって、
前記電力変換装置の使用されている状態において横方向に並べられて配置されている半導体素子の段が複数段あり、前記複数段のうちの最も上側の段の半導体素子のうちの中央部に配置される半導体素子のエミッタ端子が接続される回路基板上の回路パターンに接しているとともに、前記中央に配置される半導体素子の接合部の温度変化を検出可能な距離に配置された温度検出素子によって温度検出を行なうことを特徴とする電力変換装置。
前記温度検出素子はＮ側の直流電流が流れる半導体素子の接合部に対するエミッタ端子が接続される回路基板に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記温度検出素子は、前記回路基板の回路パターンに接して配置されることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。