JPH07135731A - 半導体素子の過熱保護装置 - Google Patents
半導体素子の過熱保護装置Info
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- JPH07135731A JPH07135731A JP5278737A JP27873793A JPH07135731A JP H07135731 A JPH07135731 A JP H07135731A JP 5278737 A JP5278737 A JP 5278737A JP 27873793 A JP27873793 A JP 27873793A JP H07135731 A JPH07135731 A JP H07135731A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】使用条件の規定が困難な半導体電力変換装置に
おいて、半導体素子を熱破壊から保護するための過度の
安全設計による半導体電力変換装置の大型化、高価格を
防止する。 【構成】半導体素子に流れる電流を電流測定手段101
で、電圧を電圧測定手段102 で、ケース温度をケース温
度測定手段103 で測定する。そして、演算手段１を、測
定された電流値と電圧値から半導体素子の損失を演算す
る損失演算手段11、この損失を基にジャンクション温度
とケースとの温度差飽和値を演算する温度差飽和値演算
手段12、温度差飽和値から過渡温度差を演算する過渡温
度差演算手段13、ケース温度と過渡温度差とを加算して
ジャンクション温度を求める加算器14で構成することに
よって、ジャンクション温度Ｔj を正確に求めることが
できるので保護手段２による確実な過熱保護が可能にな
る。そのため過度の安全設計をする必要がなくなる。
おいて、半導体素子を熱破壊から保護するための過度の
安全設計による半導体電力変換装置の大型化、高価格を
防止する。 【構成】半導体素子に流れる電流を電流測定手段101
で、電圧を電圧測定手段102 で、ケース温度をケース温
度測定手段103 で測定する。そして、演算手段１を、測
定された電流値と電圧値から半導体素子の損失を演算す
る損失演算手段11、この損失を基にジャンクション温度
とケースとの温度差飽和値を演算する温度差飽和値演算
手段12、温度差飽和値から過渡温度差を演算する過渡温
度差演算手段13、ケース温度と過渡温度差とを加算して
ジャンクション温度を求める加算器14で構成することに
よって、ジャンクション温度Ｔj を正確に求めることが
できるので保護手段２による確実な過熱保護が可能にな
る。そのため過度の安全設計をする必要がなくなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、間欠運転又は短時間
過負荷運転されるインバータ、チョッパなどの半導体電
力変換装置に使用される半導体素子の過熱保護装置に関
する。
過負荷運転されるインバータ、チョッパなどの半導体電
力変換装置に使用される半導体素子の過熱保護装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】サイリスタ、トランジスタなどの半導体
素子を用いた半導体電力変換装置において、半導体素子
は半導体素子自身に流れる電流と印加される電圧によっ
て半導体素子内部の半導体接合部分（以下、ジャンクシ
ョンと呼ぶ）に損失Ｗが発生し発熱する。この半導体素
子に発生する損失は、一般に半導体電力変換装置の回路
電圧、電流などによって変化し、熱は、半導体素子ジャ
ンクションから半導体素子のケース又は冷却体に伝導し
半導体素子の周囲気体又は冷却水などへ放熱される。一
方、半導体素子ジャンクションには許容最大温度があ
り、許容最大温度を越えると半導体素子の劣化や破壊を
招く。半導体電力変換装置は多くの電気部品で構成され
ているが、一般に半導体素子は他の電気部品（例えば、
抵抗、リアクトル、コンデンサなど）に比べて熱時定数
が小さく、許容最大温度も低い、いわゆる熱耐量が小さ
い部品なので、半導体電力変換装置では、使用される電
流、電圧、周波数などの条件を考慮し、半導体素子に重
点をおいた冷却設計がなされている。
素子を用いた半導体電力変換装置において、半導体素子
は半導体素子自身に流れる電流と印加される電圧によっ
て半導体素子内部の半導体接合部分（以下、ジャンクシ
ョンと呼ぶ）に損失Ｗが発生し発熱する。この半導体素
子に発生する損失は、一般に半導体電力変換装置の回路
電圧、電流などによって変化し、熱は、半導体素子ジャ
ンクションから半導体素子のケース又は冷却体に伝導し
半導体素子の周囲気体又は冷却水などへ放熱される。一
方、半導体素子ジャンクションには許容最大温度があ
り、許容最大温度を越えると半導体素子の劣化や破壊を
招く。半導体電力変換装置は多くの電気部品で構成され
ているが、一般に半導体素子は他の電気部品（例えば、
抵抗、リアクトル、コンデンサなど）に比べて熱時定数
が小さく、許容最大温度も低い、いわゆる熱耐量が小さ
い部品なので、半導体電力変換装置では、使用される電
流、電圧、周波数などの条件を考慮し、半導体素子に重
点をおいた冷却設計がなされている。
【０００３】半導体電力変換装置には、溶接機電源やＸ
線電源などのように通常間欠運転される装置や、電鉄用
電源や無停電電源装置のように短時間過負荷が要求され
る装置のように運転条件が装置運転社や負荷、その他の
条件に依存し、運転条件の予測が難しい装置がある。こ
のような用途の装置では、設計にあたって顧客と製造者
間で間欠運転の頻度、時間、出力、また、過負荷時出力
の定格出力に対する割合、頻度、継続時間などの条件を
取決め、製造者はこれらの全ての条件において半導体素
子ジャンクションの温度が許容最大温度を越えないよう
に冷却設計をする。しかし、実際にはこれらの間欠運転
条件や短時間過負荷運転条件の適切な決定が難しい場合
が多く、顧客側で必要以上に厳しい条件を設定したり、
製造者側で半導体素子冷却性能や半導体素子並列数の余
裕を必要以上に大きくとる場合が多く、装置が大型、高
価なものになるという問題がある。また、その反面、万
が一設計条件を越える使用条件となったとき、半導体素
子が熱破壊する恐れも絶無とはいえない。
線電源などのように通常間欠運転される装置や、電鉄用
電源や無停電電源装置のように短時間過負荷が要求され
る装置のように運転条件が装置運転社や負荷、その他の
条件に依存し、運転条件の予測が難しい装置がある。こ
のような用途の装置では、設計にあたって顧客と製造者
間で間欠運転の頻度、時間、出力、また、過負荷時出力
の定格出力に対する割合、頻度、継続時間などの条件を
取決め、製造者はこれらの全ての条件において半導体素
子ジャンクションの温度が許容最大温度を越えないよう
に冷却設計をする。しかし、実際にはこれらの間欠運転
条件や短時間過負荷運転条件の適切な決定が難しい場合
が多く、顧客側で必要以上に厳しい条件を設定したり、
製造者側で半導体素子冷却性能や半導体素子並列数の余
裕を必要以上に大きくとる場合が多く、装置が大型、高
価なものになるという問題がある。また、その反面、万
が一設計条件を越える使用条件となったとき、半導体素
子が熱破壊する恐れも絶無とはいえない。
【０００４】図５は間欠運転条件の半導体電力変換装置
において、半導体素子に発生する損失Ｗと半導体素子ジ
ャンクション温度Ｔj 、半導体素子ケース温度ＴC 、周
囲温度Ｔa との関係を示すグラフであり、横軸は時間、
縦軸は損失及び温度である。負荷が間欠的であるため
に、半導体素子に発生する損失Ｗも間欠的である。時点
ｔ1 からｔ2 、時点ｔ3 からｔ4 の間の期間に装置が運
転されそれ以外の期間では停止される。そのため、損失
Ｗは図示のようにパルス状に発生する。これに応じて半
導体素子ケース温度ＴC 、ジャンクション温度Ｔj は時
点ｔ1 では周囲温度Ｔa と同じ温度だったのが、時点ｔ
1 からｔ2 の間の期間上昇し、時点ｔ2からｔ3 の間の
期間では損失Ｗがなくなるため下降し、時点ｔ3 からｔ
4 の間の期間では再び温度が上昇する。
において、半導体素子に発生する損失Ｗと半導体素子ジ
ャンクション温度Ｔj 、半導体素子ケース温度ＴC 、周
囲温度Ｔa との関係を示すグラフであり、横軸は時間、
縦軸は損失及び温度である。負荷が間欠的であるため
に、半導体素子に発生する損失Ｗも間欠的である。時点
ｔ1 からｔ2 、時点ｔ3 からｔ4 の間の期間に装置が運
転されそれ以外の期間では停止される。そのため、損失
Ｗは図示のようにパルス状に発生する。これに応じて半
導体素子ケース温度ＴC 、ジャンクション温度Ｔj は時
点ｔ1 では周囲温度Ｔa と同じ温度だったのが、時点ｔ
1 からｔ2 の間の期間上昇し、時点ｔ2からｔ3 の間の
期間では損失Ｗがなくなるため下降し、時点ｔ3 からｔ
4 の間の期間では再び温度が上昇する。
【０００５】周囲温度Ｔa は損失Ｗには無関係であるし
急激に変化するものでもないのでここでは一定としてあ
る。半導体素子ケース温度ＴC と周囲温度Ｔa との差を
ＴCa、半導体素子ジャンクション温度Ｔj と半導体素子
ケース温度Ｔc との差をＴjcとそれぞれすると、温度差
ＴCaは半導体素子ケースの熱容量と周囲の大気への冷却
効果に応じて決まる時定数τCaに基づいて変化する。こ
の図では半導体素子ケースの時定数τcaは期間（ｔ2 −
ｔ1 ）などに比べて充分大きいので直線的に変化してい
る。また、温度差Ｔjcはジャンクションの熱容量と半導
体素子ケースに熱伝導によって熱が移動する冷却冷却効
果に応じて決まる時定数τjcに基づいて変化する。この
時定数は前述の期間に比べてはるかに小さいので損失Ｗ
が発生する始発時点である時点ｔ1 及び時点ｔ3 から僅
かの期間で一定値に達してしまいジャンクション温度Ｔ
j は以後半導体素子ケース温度Ｔc に平行した変化をす
る。損失Ｗが零になる時点ｔ2 からｔ3 の期間ではそれ
ぞれの温度が下降する。このときも温度差ＴCaは緩慢に
下降するが、温度差Ｔjcは急激に減少して零になりジャ
ンクション温度Ｔj は殆どケース温度Ｔc に一致してし
まう。
急激に変化するものでもないのでここでは一定としてあ
る。半導体素子ケース温度ＴC と周囲温度Ｔa との差を
ＴCa、半導体素子ジャンクション温度Ｔj と半導体素子
ケース温度Ｔc との差をＴjcとそれぞれすると、温度差
ＴCaは半導体素子ケースの熱容量と周囲の大気への冷却
効果に応じて決まる時定数τCaに基づいて変化する。こ
の図では半導体素子ケースの時定数τcaは期間（ｔ2 −
ｔ1 ）などに比べて充分大きいので直線的に変化してい
る。また、温度差Ｔjcはジャンクションの熱容量と半導
体素子ケースに熱伝導によって熱が移動する冷却冷却効
果に応じて決まる時定数τjcに基づいて変化する。この
時定数は前述の期間に比べてはるかに小さいので損失Ｗ
が発生する始発時点である時点ｔ1 及び時点ｔ3 から僅
かの期間で一定値に達してしまいジャンクション温度Ｔ
j は以後半導体素子ケース温度Ｔc に平行した変化をす
る。損失Ｗが零になる時点ｔ2 からｔ3 の期間ではそれ
ぞれの温度が下降する。このときも温度差ＴCaは緩慢に
下降するが、温度差Ｔjcは急激に減少して零になりジャ
ンクション温度Ｔj は殆どケース温度Ｔc に一致してし
まう。
【０００６】更に損失Ｗが発生すると前述のような現象
が繰り返される。図示の場合、時点ｔ1 でのケース温度
ＴC とジャンクション温度ＴJ とは周囲温度Ｔa に一致
している値から出発しているが、時点ｔ3 でのケース温
度ＴC は周囲温度Ｔa よりも高い温度になっている。図
では２回の間欠運転だけを図示してあるが、この図の後
も同じような間欠運転が繰り返されると運転が再開され
る最初の時点でのケース温度Ｔc は徐々に上昇し、最後
には一定値に飽和する。この飽和値は損失Ｗ、運転期
間、停止期間などによって決まる。これらはあらかじめ
仕様で決められていてその仕様に基づいてジャンクショ
ン温度の最高値Ｔjmaxを計算しこの値が許容温度を越え
ないように製作される。したがって、仕様よりも過酷な
運転が行われるとジャンクション温度が許容温度を越え
てしまい半導体素子が熱破壊するか、それ程でなくても
寿命が著しく低下するなどの重大な問題が生ずる可能性
がある。
が繰り返される。図示の場合、時点ｔ1 でのケース温度
ＴC とジャンクション温度ＴJ とは周囲温度Ｔa に一致
している値から出発しているが、時点ｔ3 でのケース温
度ＴC は周囲温度Ｔa よりも高い温度になっている。図
では２回の間欠運転だけを図示してあるが、この図の後
も同じような間欠運転が繰り返されると運転が再開され
る最初の時点でのケース温度Ｔc は徐々に上昇し、最後
には一定値に飽和する。この飽和値は損失Ｗ、運転期
間、停止期間などによって決まる。これらはあらかじめ
仕様で決められていてその仕様に基づいてジャンクショ
ン温度の最高値Ｔjmaxを計算しこの値が許容温度を越え
ないように製作される。したがって、仕様よりも過酷な
運転が行われるとジャンクション温度が許容温度を越え
てしまい半導体素子が熱破壊するか、それ程でなくても
寿命が著しく低下するなどの重大な問題が生ずる可能性
がある。
【０００７】図６は短時間過負荷条件の半導体電力変換
装置において、半導体素子に発生する損失Ｗ、半導体素
子ジャンクション温度Ｔj 、半導体素子ケース温度Ｔc
及び周囲温度Ｔa の時間的変化を示す示すグラフであ
り、図５と同じ事項については説明を省略する。この図
において、時点ｔ1 で運転が開始され一定負荷が時点ｔ
2 まで継続しその後過負荷が時点ｔ3 までかかりその後
元の負荷に戻ったとする。時点ｔ1 からｔ2 の間の半導
体素子が発生する損失をＷ1 、時点ｔ2 からｔ3 の間の
損失をＷ 2 とする。ただし、Ｗ2 ＞Ｗ1 である。時点ｔ
1 ではケース温度Ｔc 、ジャンクション温度Ｔj とも周
囲温度Ｔa に一致している。損失Ｗ1 が発生する時点ｔ
1からこれらの温度は上昇を始めるが、時点ｔ2 までの
期間が充分長いために時点ｔ2 では温度差Ｔca、Ｔjcと
もに飽和して一定値になっている。時点ｔ2 損失がＷ2
に増大するために更に温度上昇する。このときの様相は
図５の場合と同様に温度差ＴCAは直線的に上昇し、温度
差Ｔjcは速やかに飽和値に達する。時点ｔ3で損失は小
さくなって再びＷ1 になるのでそれぞれの温度は低下す
る。ジャンクション温度Ｔj は時点ｔ3 で最高値になる
からこのときのジャンクション温度Ｔ jmax が許容温度
以下になるように冷却設計される。この場合も、過負荷
の期間が長かったりそのときの過負荷倍率が大きかった
り、あるいはその前の連続負荷の値が大きかったりする
と最高ジャンクション温度Ｔjmaxは許容温度を越える危
険性を持っている。
装置において、半導体素子に発生する損失Ｗ、半導体素
子ジャンクション温度Ｔj 、半導体素子ケース温度Ｔc
及び周囲温度Ｔa の時間的変化を示す示すグラフであ
り、図５と同じ事項については説明を省略する。この図
において、時点ｔ1 で運転が開始され一定負荷が時点ｔ
2 まで継続しその後過負荷が時点ｔ3 までかかりその後
元の負荷に戻ったとする。時点ｔ1 からｔ2 の間の半導
体素子が発生する損失をＷ1 、時点ｔ2 からｔ3 の間の
損失をＷ 2 とする。ただし、Ｗ2 ＞Ｗ1 である。時点ｔ
1 ではケース温度Ｔc 、ジャンクション温度Ｔj とも周
囲温度Ｔa に一致している。損失Ｗ1 が発生する時点ｔ
1からこれらの温度は上昇を始めるが、時点ｔ2 までの
期間が充分長いために時点ｔ2 では温度差Ｔca、Ｔjcと
もに飽和して一定値になっている。時点ｔ2 損失がＷ2
に増大するために更に温度上昇する。このときの様相は
図５の場合と同様に温度差ＴCAは直線的に上昇し、温度
差Ｔjcは速やかに飽和値に達する。時点ｔ3で損失は小
さくなって再びＷ1 になるのでそれぞれの温度は低下す
る。ジャンクション温度Ｔj は時点ｔ3 で最高値になる
からこのときのジャンクション温度Ｔ jmax が許容温度
以下になるように冷却設計される。この場合も、過負荷
の期間が長かったりそのときの過負荷倍率が大きかった
り、あるいはその前の連続負荷の値が大きかったりする
と最高ジャンクション温度Ｔjmaxは許容温度を越える危
険性を持っている。
【０００８】間欠運転や短時間過負荷運転される半導体
電力変換装置の場合、前述のような温度変化が考慮され
て半導体素子の冷却設計が行われるのであるが、それで
も前述のようにジャンクション温度Ｔj が許容温度を越
える危険性がある。前述のような万一の危険性が考慮さ
れて何らかの半導体素子の過熱保護の処置が採用される
のが普通である。大型のいわゆるモジュールと呼ばれる
半導体素子には、温度センサが内蔵されたものもあり、
この温度センサで測定された温度を基に温度監視と保護
が行われるものがある。しかし、このような温度センサ
が内蔵されない半導体素子が一般的である。また、半導
体素子ケースの温度を測定して温度監視と保護を行う方
式もあるが、間欠運転や短時間過負荷が要求される半導
体電力変換装置では、前述したように半導体素子ケース
と半導体素子ジャンクション間の温度差が大きく変化す
るので適切でない。また、半導体素子ケースに温度セン
サを取付けるのが実用上不可能な小型の半導体素子も多
い。
電力変換装置の場合、前述のような温度変化が考慮され
て半導体素子の冷却設計が行われるのであるが、それで
も前述のようにジャンクション温度Ｔj が許容温度を越
える危険性がある。前述のような万一の危険性が考慮さ
れて何らかの半導体素子の過熱保護の処置が採用される
のが普通である。大型のいわゆるモジュールと呼ばれる
半導体素子には、温度センサが内蔵されたものもあり、
この温度センサで測定された温度を基に温度監視と保護
が行われるものがある。しかし、このような温度センサ
が内蔵されない半導体素子が一般的である。また、半導
体素子ケースの温度を測定して温度監視と保護を行う方
式もあるが、間欠運転や短時間過負荷が要求される半導
体電力変換装置では、前述したように半導体素子ケース
と半導体素子ジャンクション間の温度差が大きく変化す
るので適切でない。また、半導体素子ケースに温度セン
サを取付けるのが実用上不可能な小型の半導体素子も多
い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
半導体素子の過熱保護を全ての半導体電力変換装置に対
して適切に行うことのできる過熱保護装置がないため
に、前述のように装置が大型かつ高価にならざるを得な
いという問題がある。そして、その場合でも半導体素子
の熱破壊の危険性が全く無くなる訳ではないという問題
もある。
半導体素子の過熱保護を全ての半導体電力変換装置に対
して適切に行うことのできる過熱保護装置がないため
に、前述のように装置が大型かつ高価にならざるを得な
いという問題がある。そして、その場合でも半導体素子
の熱破壊の危険性が全く無くなる訳ではないという問題
もある。
【００１０】この発明の目的はこのような問題を解決
し、使用条件を規定することが難しい半導体電力変換装
置において、万が一設計仕様を越える使用条件になった
ときでも、半導体素子を熱破壊から保護することのでき
る半導体素子の過熱保護装置を提供して半導体電力変換
装置の大型化、高価格を防止することにある。
し、使用条件を規定することが難しい半導体電力変換装
置において、万が一設計仕様を越える使用条件になった
ときでも、半導体素子を熱破壊から保護することのでき
る半導体素子の過熱保護装置を提供して半導体電力変換
装置の大型化、高価格を防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、測定値及び設定値を基に半導体
素子のジャンクション温度Ｔj を演算で求める演算手段
と、ジャンクション温度Ｔj が所定の値を越えるかどう
かを判定し、越えると判定されたとき半導体素子を保護
する動作を行う保護手段とからなるものとする。また、
半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流測定手段、電
圧ｖを測定する電圧測定手段、及び半導体素子のケース
温度Ｔc を測定するケース温度測定手段を備え、 演算
手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失Ｗ
を演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクション
温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する温
度差飽和値演算手段、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段、及びケース温度
Ｔc と過渡温度差Ｔjcとを加算してジャンクション温度
Ｔj を求める加算器からなるものとする。また、半導体
素子に流れる電流ｉを測定する電流測定手段、電圧ｖを
測定する電圧測定手段、及び冷媒温度Ｔa を測定する冷
媒温度測定手段を備え、 演算手段が、測定された電流
値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失Ｗを演算する損
失演算手段、損失Ｗを基にジャンクション温度Ｔj とケ
ースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する温度差飽和値演
算手段12、損失Ｗを基にケース温度Ｔc と冷媒温度Ｔa
との温度差飽和値Ｔcam を演算する温度差飽和値演算手
段15、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度差Ｔjcを演算す
る過渡温度差演算手段13、温度差飽和値Ｔcam から過渡
温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演算手段16、及び２つ
の過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度Ｔa とを加算してジ
ャンクション温度Ｔj を求める加算器からなるものとす
る。また、半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流測
定手段、電圧ｖを測定する電圧測定手段、及び冷媒温度
の設定値Ｔamを設定する冷媒温度設定手段を備え、 演
算手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失
Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクショ
ン温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する
温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケース温度Ｔc
と冷媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam を演算する温度
差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和値
Ｔcam から過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演算手
段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度設定
値Ｔamとを加算してジャンクション温度Ｔj を求める加
算器からなるものとする。また、損失の設定値Ｗm を設
定する損失設定手段、及び冷媒温度の設定値Ｔamを設定
する冷媒温度設定手段を備え、演算手段が、損失設定値
Ｗm を基にジャンクション温度Ｔj とケースとの温度差
飽和値Ｔjcm を演算する温度差飽和値演算手段12、損失
Ｗm を基にケース温度Ｔc と冷媒温度Ｔa との温度差飽
和値Ｔcam を演算する温度差飽和値演算手段15、温度差
飽和値Ｔjcm と温度差飽和値Ｔcam とが入力されて、半
導体電力変換装置の運転中にオンとなって入力値がその
まま出力され、停止中のときにオフとなって零値が出力
されるスイッチ17、温度差飽和値Ｔjcm に対応するスイ
ッチ17の出力値から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度
差演算手段13、温度差飽和値Ｔcam に対応するスイッチ
17の出力値から過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演
算手段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度
設定値Ｔamとを加算してジャンクション温度Ｔj を求め
る加算器からなるものとする。
に、この発明によれば、測定値及び設定値を基に半導体
素子のジャンクション温度Ｔj を演算で求める演算手段
と、ジャンクション温度Ｔj が所定の値を越えるかどう
かを判定し、越えると判定されたとき半導体素子を保護
する動作を行う保護手段とからなるものとする。また、
半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流測定手段、電
圧ｖを測定する電圧測定手段、及び半導体素子のケース
温度Ｔc を測定するケース温度測定手段を備え、 演算
手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失Ｗ
を演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクション
温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する温
度差飽和値演算手段、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段、及びケース温度
Ｔc と過渡温度差Ｔjcとを加算してジャンクション温度
Ｔj を求める加算器からなるものとする。また、半導体
素子に流れる電流ｉを測定する電流測定手段、電圧ｖを
測定する電圧測定手段、及び冷媒温度Ｔa を測定する冷
媒温度測定手段を備え、 演算手段が、測定された電流
値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失Ｗを演算する損
失演算手段、損失Ｗを基にジャンクション温度Ｔj とケ
ースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する温度差飽和値演
算手段12、損失Ｗを基にケース温度Ｔc と冷媒温度Ｔa
との温度差飽和値Ｔcam を演算する温度差飽和値演算手
段15、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度差Ｔjcを演算す
る過渡温度差演算手段13、温度差飽和値Ｔcam から過渡
温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演算手段16、及び２つ
の過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度Ｔa とを加算してジ
ャンクション温度Ｔj を求める加算器からなるものとす
る。また、半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流測
定手段、電圧ｖを測定する電圧測定手段、及び冷媒温度
の設定値Ｔamを設定する冷媒温度設定手段を備え、 演
算手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損失
Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクショ
ン温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する
温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケース温度Ｔc
と冷媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam を演算する温度
差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔjcm から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和値
Ｔcam から過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演算手
段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度設定
値Ｔamとを加算してジャンクション温度Ｔj を求める加
算器からなるものとする。また、損失の設定値Ｗm を設
定する損失設定手段、及び冷媒温度の設定値Ｔamを設定
する冷媒温度設定手段を備え、演算手段が、損失設定値
Ｗm を基にジャンクション温度Ｔj とケースとの温度差
飽和値Ｔjcm を演算する温度差飽和値演算手段12、損失
Ｗm を基にケース温度Ｔc と冷媒温度Ｔa との温度差飽
和値Ｔcam を演算する温度差飽和値演算手段15、温度差
飽和値Ｔjcm と温度差飽和値Ｔcam とが入力されて、半
導体電力変換装置の運転中にオンとなって入力値がその
まま出力され、停止中のときにオフとなって零値が出力
されるスイッチ17、温度差飽和値Ｔjcm に対応するスイ
ッチ17の出力値から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度
差演算手段13、温度差飽和値Ｔcam に対応するスイッチ
17の出力値から過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演
算手段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度
設定値Ｔamとを加算してジャンクション温度Ｔj を求め
る加算器からなるものとする。
【００１２】
【作用】この発明の構成において、測定値及び設定値を
基に演算手段によって半導体素子のジャンクション温度
Ｔj を演算で求め、保護手段によってジャンクション温
度Ｔj が所定の値を越えたかどうかを判定するととも
に、越えたと判定されたときオフにするなどの半導体素
子を保護する動作を行うことによって、ジャンクション
温度Ｔj をより正確に求めることができるので、半導体
素子を適正に保護することができる。
基に演算手段によって半導体素子のジャンクション温度
Ｔj を演算で求め、保護手段によってジャンクション温
度Ｔj が所定の値を越えたかどうかを判定するととも
に、越えたと判定されたときオフにするなどの半導体素
子を保護する動作を行うことによって、ジャンクション
温度Ｔj をより正確に求めることができるので、半導体
素子を適正に保護することができる。
【００１３】また、半導体素子に流れる電流ｉを電流測
定手段で測定し、電圧ｖを電圧測定手段で測定し、半導
体素子のケース温度Ｔc をケース温度測定手段で測定す
る。そして、演算手段を、測定された電流値ｉと電圧値
ｖとから半導体素子の損失Ｗを演算する損失演算手段、
損失Ｗを基にジャンクション温度Ｔj とケースとの温度
差飽和値Ｔjcm を演算する過渡温度差演算手段、温度差
飽和値Ｔjcm から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差
演算手段、測定されたケース温度Ｔc と演算された過渡
温度差Ｔjcとを加算してジャンクション温度Ｔj を求め
る加算器で構成することによって、過渡的に変化するジ
ャンクション温度Ｔj を正確に求めることができる。
定手段で測定し、電圧ｖを電圧測定手段で測定し、半導
体素子のケース温度Ｔc をケース温度測定手段で測定す
る。そして、演算手段を、測定された電流値ｉと電圧値
ｖとから半導体素子の損失Ｗを演算する損失演算手段、
損失Ｗを基にジャンクション温度Ｔj とケースとの温度
差飽和値Ｔjcm を演算する過渡温度差演算手段、温度差
飽和値Ｔjcm から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差
演算手段、測定されたケース温度Ｔc と演算された過渡
温度差Ｔjcとを加算してジャンクション温度Ｔj を求め
る加算器で構成することによって、過渡的に変化するジ
ャンクション温度Ｔj を正確に求めることができる。
【００１４】また、半導体素子に流れる電流ｉを電流測
定手段で測定し、電圧ｖを電圧測定手段で測定し、冷媒
温度Ｔa を冷媒温度測定手段で測定する。そして、演算
手段を、測定された電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素
子の損失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャ
ンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcmを
演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケース
温度Ｔc と冷媒温度Ｔ a との温度差飽和値Ｔcam を演算
する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ jcm から
過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度
差飽和値Ｔcamから過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度
差演算手段16、２つの過渡温度差ＴjcとＴca及び測定さ
れた冷媒温度Ｔa とを加算してジャンクション温度Ｔj
を求める加算器で構成することによって、半導体素子の
ケース温度を直接測定できないような装置の場合に適用
することができる。
定手段で測定し、電圧ｖを電圧測定手段で測定し、冷媒
温度Ｔa を冷媒温度測定手段で測定する。そして、演算
手段を、測定された電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素
子の損失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャ
ンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcmを
演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケース
温度Ｔc と冷媒温度Ｔ a との温度差飽和値Ｔcam を演算
する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ jcm から
過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度
差飽和値Ｔcamから過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度
差演算手段16、２つの過渡温度差ＴjcとＴca及び測定さ
れた冷媒温度Ｔa とを加算してジャンクション温度Ｔj
を求める加算器で構成することによって、半導体素子の
ケース温度を直接測定できないような装置の場合に適用
することができる。
【００１５】また、半導体素子に流れる電流を電流測定
手段で測定し、電圧を電圧測定手段で測定する。一方、
冷媒温度の設定値Ｔamを冷媒温度設定手段で設定する。
演算手段を、測定された電流値ｉと電圧値ｖとから半導
体素子の損失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基に
ジャンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔ
jcm を演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基に
ケース温度Ｔc 冷媒囲温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam
を演算する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ
jcm から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段
13、温度差飽和値Ｔ cam から過渡温度差Ｔcaを演算する
過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc, Ｔ
caと冷媒温度設定値Ｔamとを加算してジャンクション温
度Ｔj を求める加算器で構成することによって、冷媒温
度測定手段を省くことができる。
手段で測定し、電圧を電圧測定手段で測定する。一方、
冷媒温度の設定値Ｔamを冷媒温度設定手段で設定する。
演算手段を、測定された電流値ｉと電圧値ｖとから半導
体素子の損失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基に
ジャンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔ
jcm を演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基に
ケース温度Ｔc 冷媒囲温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam
を演算する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ
jcm から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段
13、温度差飽和値Ｔ cam から過渡温度差Ｔcaを演算する
過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc, Ｔ
caと冷媒温度設定値Ｔamとを加算してジャンクション温
度Ｔj を求める加算器で構成することによって、冷媒温
度測定手段を省くことができる。
【００１６】また、損失の設定値Ｗm を損失設定手段で
設定し、冷媒温度の設定値Ｔamを冷媒温度設定手段で設
定する。そして、演算手段を、損失設定値Ｗm を基にジ
ャンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm
を演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケー
ス温度Ｔc と冷媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam を演
算する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔjcm と
温度差飽和値Ｔcam とが入力されて、装置の運転中のと
きにオンとなって入力値がそのまま出力され、、停止中
のときにオフとなって零が出力されるスイッチ、温度差
飽和値Ｔjcm に対応するスイッチ17の出力から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和値
Ｔcam に対応するスイッチの出力から過渡温度差Ｔcaを
演算する過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度差
Ｔjc, Ｔcaと冷媒温度設定値Ｔamとを加算してジャンク
ション温度Ｔj を求める加算器で構成することによって
測定手段が一切不要になる。
設定し、冷媒温度の設定値Ｔamを冷媒温度設定手段で設
定する。そして、演算手段を、損失設定値Ｗm を基にジ
ャンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm
を演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケー
ス温度Ｔc と冷媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam を演
算する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔjcm と
温度差飽和値Ｔcam とが入力されて、装置の運転中のと
きにオンとなって入力値がそのまま出力され、、停止中
のときにオフとなって零が出力されるスイッチ、温度差
飽和値Ｔjcm に対応するスイッチ17の出力から過渡温度
差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和値
Ｔcam に対応するスイッチの出力から過渡温度差Ｔcaを
演算する過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度差
Ｔjc, Ｔcaと冷媒温度設定値Ｔamとを加算してジャンク
ション温度Ｔj を求める加算器で構成することによって
測定手段が一切不要になる。
【００１７】
【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の第１の実施例を示す半導体素子の過熱
保護装置の機能ブロック図である。この図において、過
熱保護装置は、演算手段１と保護手段２とからなる。演
算手段１は、半導体電力変換装置 100に設けられている
計器用変流器などの電流測定手段101 、計器用変圧器な
どの電圧測定手段102 によって得られる測定値を基にし
て半導体素子に発生する損失Ｗを演算する損失演算手段
11、損失演算値Ｗを基にジャンクション温度Ｔj のケー
ス温度ＴC との温度差Ｔjcの飽和値Ｔjcm を演算で求め
る温度差飽和値演算手段12、温度差飽和値Ｔjcm を基に
現時点の過渡的な温度差Ｔjcを演算で求める過渡温度差
演算手段13、半導体素子ケースの温度ＴC を直接測定す
るケース温度測定手段103 、温度差Ｔjcとケース温度Ｔ
c とを加算してジャンクション温度Ｔj を求める加算手
段14からなっており、演算によって求められたジャンク
ション温度Ｔj が演算手段１の出力値である。
図１はこの発明の第１の実施例を示す半導体素子の過熱
保護装置の機能ブロック図である。この図において、過
熱保護装置は、演算手段１と保護手段２とからなる。演
算手段１は、半導体電力変換装置 100に設けられている
計器用変流器などの電流測定手段101 、計器用変圧器な
どの電圧測定手段102 によって得られる測定値を基にし
て半導体素子に発生する損失Ｗを演算する損失演算手段
11、損失演算値Ｗを基にジャンクション温度Ｔj のケー
ス温度ＴC との温度差Ｔjcの飽和値Ｔjcm を演算で求め
る温度差飽和値演算手段12、温度差飽和値Ｔjcm を基に
現時点の過渡的な温度差Ｔjcを演算で求める過渡温度差
演算手段13、半導体素子ケースの温度ＴC を直接測定す
るケース温度測定手段103 、温度差Ｔjcとケース温度Ｔ
c とを加算してジャンクション温度Ｔj を求める加算手
段14からなっており、演算によって求められたジャンク
ション温度Ｔj が演算手段１の出力値である。
【００１８】保護手段２は演算手段１の出力値であるジ
ャンクション温度Ｔj が許容温度Ｔ jRと比較してＴj ＜
ＴjR のときに正常、それ以外では異常と判定する判定
手段21と判定手段21が異常と判定したときに警報を発す
る、又は半導体素子をオフするなどの保護動作を行う動
作手段22からなっている。前述のように、この過熱保護
装置では電流測定手段101 、電圧測定手段102 及びケー
ス温度測定手段103 による３つの実測値を用いるもので
ある。通常の半導体電力変換装置では入力側又は出力側
で電圧と電流が測定されるのが一般であるから、電流測
定手段101 、電圧測定手段102 にはこれらを利用するこ
とができる。したがって、この実施例は、ケース温度測
定手段103 として前述のように温度センサを半導体素子
ケースに取付けることが可能な場合に適用することがで
きるものである。
ャンクション温度Ｔj が許容温度Ｔ jRと比較してＴj ＜
ＴjR のときに正常、それ以外では異常と判定する判定
手段21と判定手段21が異常と判定したときに警報を発す
る、又は半導体素子をオフするなどの保護動作を行う動
作手段22からなっている。前述のように、この過熱保護
装置では電流測定手段101 、電圧測定手段102 及びケー
ス温度測定手段103 による３つの実測値を用いるもので
ある。通常の半導体電力変換装置では入力側又は出力側
で電圧と電流が測定されるのが一般であるから、電流測
定手段101 、電圧測定手段102 にはこれらを利用するこ
とができる。したがって、この実施例は、ケース温度測
定手段103 として前述のように温度センサを半導体素子
ケースに取付けることが可能な場合に適用することがで
きるものである。
【００１９】損失演算手段11は電流測定手段１０１によ
って測定された電流信号ｉと電圧測定手段１０２によっ
て測定された電圧信号ｖとからあらかじめ設定された関
係式を基にして半導体素子に発生する損失Ｗが求められ
る。温度差飽和値演算手段12によって求められる温度差
飽和値Ｔjcm は、損失Ｗが一定のまま充分長い間継続し
たとしたときのジャンクション温度Ｔj のケース温度Ｔ
C からの温度上昇値である。この温度上昇は固体内の熱
伝導による温度差なので温度差Ｔjcm は損失Ｗに比例す
るという関係があるので、実際の演算処理は損失Ｗに一
定の係数を掛けるだけである。
って測定された電流信号ｉと電圧測定手段１０２によっ
て測定された電圧信号ｖとからあらかじめ設定された関
係式を基にして半導体素子に発生する損失Ｗが求められ
る。温度差飽和値演算手段12によって求められる温度差
飽和値Ｔjcm は、損失Ｗが一定のまま充分長い間継続し
たとしたときのジャンクション温度Ｔj のケース温度Ｔ
C からの温度上昇値である。この温度上昇は固体内の熱
伝導による温度差なので温度差Ｔjcm は損失Ｗに比例す
るという関係があるので、実際の演算処理は損失Ｗに一
定の係数を掛けるだけである。
【００２０】過渡温度差Ｔjcは図５、図６からも判るよ
うに損失Ｗの変化に対して、初期温度差Ｔjc0 から時定
数τjcの指数関数的に温度差飽和値Ｔjcm に向かって変
化し時定数τjcよりも充分長い時間経過すると温度差飽
和値Ｔjcm に一致する。このような関係はアナログ演算
回路では遅延回路で実現することができる。すなわち、
時定数τjcを持つ遅延回路にＴjcm を入力すると温度差
Ｔjcが出力信号として得られる。この遅延回路の比例係
数を前述の損失Ｗから温度差飽和値Ｔjcm を求めるとき
の係数に一致させると損失Ｗを入力して直接温度差Ｔjc
出力させることができる。ディジタル演算の場合には、
それぞれのサンプリング周期ごとに遅延回路に相当する
演算をディジタル的に行えばよい。加算手段14はアナロ
グ演算回路では加算器、ディジタル演算では単なる加算
処理であり、保護手段２の判定手段21はアナログ演算回
路では比較器、ディジタル演算では判定処理であり、い
ずれも容易に実現することができる。
うに損失Ｗの変化に対して、初期温度差Ｔjc0 から時定
数τjcの指数関数的に温度差飽和値Ｔjcm に向かって変
化し時定数τjcよりも充分長い時間経過すると温度差飽
和値Ｔjcm に一致する。このような関係はアナログ演算
回路では遅延回路で実現することができる。すなわち、
時定数τjcを持つ遅延回路にＴjcm を入力すると温度差
Ｔjcが出力信号として得られる。この遅延回路の比例係
数を前述の損失Ｗから温度差飽和値Ｔjcm を求めるとき
の係数に一致させると損失Ｗを入力して直接温度差Ｔjc
出力させることができる。ディジタル演算の場合には、
それぞれのサンプリング周期ごとに遅延回路に相当する
演算をディジタル的に行えばよい。加算手段14はアナロ
グ演算回路では加算器、ディジタル演算では単なる加算
処理であり、保護手段２の判定手段21はアナログ演算回
路では比較器、ディジタル演算では判定処理であり、い
ずれも容易に実現することができる。
【００２１】図２はこの発明の第２の実施例を示す半導
体素子の過熱保護装置の機能ブロック図であり、図１と
同じ機能ブロックには共通の符号を付けて詳しい説明を
省く。この図の図１との違いは、ケース温度測定手段10
3 の代わりに周囲温度測定手段104 を用い、ケース温度
Ｔc の周囲温度Ｔa に対する温度差Ｔcaを損失を基に演
算で求めるという点である。前述のように、半導体素子
のケース温度Ｔc の実測が困難な場合に適したものであ
る。
体素子の過熱保護装置の機能ブロック図であり、図１と
同じ機能ブロックには共通の符号を付けて詳しい説明を
省く。この図の図１との違いは、ケース温度測定手段10
3 の代わりに周囲温度測定手段104 を用い、ケース温度
Ｔc の周囲温度Ｔa に対する温度差Ｔcaを損失を基に演
算で求めるという点である。前述のように、半導体素子
のケース温度Ｔc の実測が困難な場合に適したものであ
る。
【００２２】図２において、損失演算手段11によって求
められた損失Ｗを基にしてケース温度ＴC と周囲温度Ｔ
a との温度差飽和値ＴCam を温度差飽和値演算手段15に
よって求める。この温度差飽和値Ｔcam から過渡温度差
演算手段16によって過渡温度差Ｔcaが演算され、これと
図１と同様にして求められた温度差Ｔjc及び周囲温度測
定手段104 で測定された周囲温度Ｔa が加算手段14A に
よって加算されてジャンクション温度Ｔj が求められ
る。なお、過渡温度差Ｔcaと周囲温度Ｔa との和（Ｔca
＋Ｔa ）はケース温度Ｔc の演算値である。
められた損失Ｗを基にしてケース温度ＴC と周囲温度Ｔ
a との温度差飽和値ＴCam を温度差飽和値演算手段15に
よって求める。この温度差飽和値Ｔcam から過渡温度差
演算手段16によって過渡温度差Ｔcaが演算され、これと
図１と同様にして求められた温度差Ｔjc及び周囲温度測
定手段104 で測定された周囲温度Ｔa が加算手段14A に
よって加算されてジャンクション温度Ｔj が求められ
る。なお、過渡温度差Ｔcaと周囲温度Ｔa との和（Ｔca
＋Ｔa ）はケース温度Ｔc の演算値である。
【００２３】この実施例ではケース温度Ｔc の実測値が
不要なので、前述の第１の実施例が適用できない半導体
電力変換装置に対しても適用することができる。図３は
この発明の第３の実施例を示す半導体素子の過熱保護装
置の機能ブロック図であり、図２と同じブロックには共
通の符号を付けて詳しい説明を省く。この図の図２との
違いは周囲温度測定手段104 の代わりに周囲温度設定手
段105 を設け、周囲温度の測定値Ｔa の代わりに設定値
Ｔamを使用していることであり、それ以外は図２と同じ
である。したがって、演算手段1Bは図２の演算手段1Aと
構成は全く同じである。単に加算手段14B による加算の
対象がＴa ではなくＴamである点が違うだけである。
不要なので、前述の第１の実施例が適用できない半導体
電力変換装置に対しても適用することができる。図３は
この発明の第３の実施例を示す半導体素子の過熱保護装
置の機能ブロック図であり、図２と同じブロックには共
通の符号を付けて詳しい説明を省く。この図の図２との
違いは周囲温度測定手段104 の代わりに周囲温度設定手
段105 を設け、周囲温度の測定値Ｔa の代わりに設定値
Ｔamを使用していることであり、それ以外は図２と同じ
である。したがって、演算手段1Bは図２の演算手段1Aと
構成は全く同じである。単に加算手段14B による加算の
対象がＴa ではなくＴamである点が違うだけである。
【００２４】周囲温度は周知のように一年の間では夏と
冬で数十度の差があるが、１日又は１週間程度の短い期
間ではせいぜい数度の変化をするだけである。したがっ
て、ある期間中は周囲温度設定手段105 によって高めの
値を設定値Ｔamとして設定しておいても実用上問題な
い。図４はこの発明の第４の実施例を示す半導体素子の
過熱保護装置の機能ブロック図であり、電流、電圧の測
定も省略して全て設定値を使用し、代わりに、半導体電
力変換装置の運転か停止かの情報を基に温度を演算する
ものである。損失設定手段106 によって損失Ｗの設定値
Ｗm が設定され、これに基づいて、温度差飽和値演算手
段12によって温度差飽和値Ｔjcm が、温度差飽和値演算
手段15によって温度差飽和値Ｔcam とが演算で求めら
れ、これらが周囲温度設定値Ｔamに加算手段14C によっ
て加算されてジャンクション温度Ｔj が求められる。
冬で数十度の差があるが、１日又は１週間程度の短い期
間ではせいぜい数度の変化をするだけである。したがっ
て、ある期間中は周囲温度設定手段105 によって高めの
値を設定値Ｔamとして設定しておいても実用上問題な
い。図４はこの発明の第４の実施例を示す半導体素子の
過熱保護装置の機能ブロック図であり、電流、電圧の測
定も省略して全て設定値を使用し、代わりに、半導体電
力変換装置の運転か停止かの情報を基に温度を演算する
ものである。損失設定手段106 によって損失Ｗの設定値
Ｗm が設定され、これに基づいて、温度差飽和値演算手
段12によって温度差飽和値Ｔjcm が、温度差飽和値演算
手段15によって温度差飽和値Ｔcam とが演算で求めら
れ、これらが周囲温度設定値Ｔamに加算手段14C によっ
て加算されてジャンクション温度Ｔj が求められる。
【００２５】例えばＸ線電源の場合、運転中の負荷の大
きさはおおよそ一定であり、運転やか停止の期間が半導
体素子の温度上昇に最も大きく影響するような場合、損
失Ｗに設定値Ｗm を使用することによって電流測定手段
101 、電圧測定手段102 及び損失演算手段11が省略でき
るので装置が大幅に簡略化されて、しかも保護装置とし
ての機能を大きく低下させることはない。
きさはおおよそ一定であり、運転やか停止の期間が半導
体素子の温度上昇に最も大きく影響するような場合、損
失Ｗに設定値Ｗm を使用することによって電流測定手段
101 、電圧測定手段102 及び損失演算手段11が省略でき
るので装置が大幅に簡略化されて、しかも保護装置とし
ての機能を大きく低下させることはない。
【００２６】半導体電力変換装置が運転中か停止中かの
区別を表す信号が半導体素子の過熱保護装置から与えら
れてこの信号を基に演算手段1Cに設けられたスイッチ17
で温度差飽和値演算手段12、15双方の出力値をオン・オ
フする。オンのときはそれぞれの出力値が過渡温度差演
算手段13,16 に送られて所定の演算をし、オフのときは
零の値が送られる。図５から明らかなように、スイッチ
17がオンのときは過渡温度差Ｔjc、Ｔcaともにそれぞれ
の時定数に応じて上昇し、オフのときはともに下降す
る。これに伴って加算手段14C で求められたジャンクシ
ョン温度Ｔj は上昇したり下降したりする。オンの期間
が長ければジャンクション温度Ｔj の最高値は高くな
り、オフの期間が短ければ充分温度が下がる前に再度上
昇するのでこの場合もジャンクション温度Ｔj は高くな
る。これらを単にスイッチ17を設けることによって模擬
することができる。
区別を表す信号が半導体素子の過熱保護装置から与えら
れてこの信号を基に演算手段1Cに設けられたスイッチ17
で温度差飽和値演算手段12、15双方の出力値をオン・オ
フする。オンのときはそれぞれの出力値が過渡温度差演
算手段13,16 に送られて所定の演算をし、オフのときは
零の値が送られる。図５から明らかなように、スイッチ
17がオンのときは過渡温度差Ｔjc、Ｔcaともにそれぞれ
の時定数に応じて上昇し、オフのときはともに下降す
る。これに伴って加算手段14C で求められたジャンクシ
ョン温度Ｔj は上昇したり下降したりする。オンの期間
が長ければジャンクション温度Ｔj の最高値は高くな
り、オフの期間が短ければ充分温度が下がる前に再度上
昇するのでこの場合もジャンクション温度Ｔj は高くな
る。これらを単にスイッチ17を設けることによって模擬
することができる。
【００２７】測定値を使用せずに設定値で代用する場合
の設定値は、損失の場合は最大値、温度の場合は最高値
を採用するのが普通である。したがって、設定値を採用
する場合は装置が簡素になるという利点がある代わりに
過保護になる可能性があるという欠点を持っている。測
定値が得られるない場合は止むを得ないとして、得られ
る場合にはこれら利点と欠点とを勘案し、また、半導体
電力変換装置の負荷の様子なども考慮されて最適な構成
が採用される。
の設定値は、損失の場合は最大値、温度の場合は最高値
を採用するのが普通である。したがって、設定値を採用
する場合は装置が簡素になるという利点がある代わりに
過保護になる可能性があるという欠点を持っている。測
定値が得られるない場合は止むを得ないとして、得られ
る場合にはこれら利点と欠点とを勘案し、また、半導体
電力変換装置の負荷の様子なども考慮されて最適な構成
が採用される。
【００２８】なお、前述の４つの実施例で示された構成
の中から適宜抜き出して別の構成を採用することもでき
る。例えば、図４の周囲温度設定手段105 の代わりに図
２の周囲温度測定手段104 を用いてもよい。また、半導
体素子の冷却方式は空気冷却の他に半導体素子を冷却体
に接触させこの冷却体に冷却水を流して冷却する方式が
あり特に大容量の半導体素子に多く用いられる。このよ
うな場合には周囲温度の測定や設定の代わりに冷却水温
度の測定や設定が行われ、これらを用いてジャンクショ
ン温度Ｔj が演算される。いずれにしても空気や冷却水
などの冷媒の温度がジャンクション温度Ｔj の値を決定
する基礎値になるので、半導体素子の冷却方式に応じた
冷媒の温度が測定又は設定される。また、空気冷却の場
合は半導体素子のケース温度が採用されたが冷却水によ
る冷却の場合は冷却体の温度が採用されるのが普通であ
る。ここでは冷却体もケースに含めたものとして解釈す
るものとする。
の中から適宜抜き出して別の構成を採用することもでき
る。例えば、図４の周囲温度設定手段105 の代わりに図
２の周囲温度測定手段104 を用いてもよい。また、半導
体素子の冷却方式は空気冷却の他に半導体素子を冷却体
に接触させこの冷却体に冷却水を流して冷却する方式が
あり特に大容量の半導体素子に多く用いられる。このよ
うな場合には周囲温度の測定や設定の代わりに冷却水温
度の測定や設定が行われ、これらを用いてジャンクショ
ン温度Ｔj が演算される。いずれにしても空気や冷却水
などの冷媒の温度がジャンクション温度Ｔj の値を決定
する基礎値になるので、半導体素子の冷却方式に応じた
冷媒の温度が測定又は設定される。また、空気冷却の場
合は半導体素子のケース温度が採用されたが冷却水によ
る冷却の場合は冷却体の温度が採用されるのが普通であ
る。ここでは冷却体もケースに含めたものとして解釈す
るものとする。
【００２９】
【発明の効果】この発明は前述のように、測定値及び設
定値を基に演算手段によって半導体素子のジャンクショ
ン温度Ｔj を求め、保護手段によってジャンクション温
度Ｔjが所定の値を越えたかどうかを判定するととも
に、越えたと判定されたときオフにするなどの半導体素
子を保護する動作を行うことによって、半導体素子のジ
ャンクション温度Ｔj をより正確に求めることができる
ので、半導体素子を適正に保護することができる。その
結果、必要以上に素子の容量や数を増やすことがなくな
り、半導体電力変換装置の小型化と価格低減に貢献する
という効果が得られるとともに、運転条件が当初設定さ
れた仕様を越えるようなことがあっても、運転条件に応
じたジャンクション温度Ｔj を求めることができるので
万一の半導体素子の過熱又は寿命の著しい低下などの恐
れもなくなって信頼性が向上するという効果が得られ
る。
定値を基に演算手段によって半導体素子のジャンクショ
ン温度Ｔj を求め、保護手段によってジャンクション温
度Ｔjが所定の値を越えたかどうかを判定するととも
に、越えたと判定されたときオフにするなどの半導体素
子を保護する動作を行うことによって、半導体素子のジ
ャンクション温度Ｔj をより正確に求めることができる
ので、半導体素子を適正に保護することができる。その
結果、必要以上に素子の容量や数を増やすことがなくな
り、半導体電力変換装置の小型化と価格低減に貢献する
という効果が得られるとともに、運転条件が当初設定さ
れた仕様を越えるようなことがあっても、運転条件に応
じたジャンクション温度Ｔj を求めることができるので
万一の半導体素子の過熱又は寿命の著しい低下などの恐
れもなくなって信頼性が向上するという効果が得られ
る。
【００３０】また、半導体素子に流れる電流ｉ、電圧ｖ
及び半導体素子のケース温度Ｔc を測定し、これを基に
演算手段によってジャンクション温度Ｔj を演算するこ
とによって、過渡的に変化するジャンクション温度Ｔj
を正確に求めることが可能になり、より適切な半導体素
子の過熱保護が可能になるという効果が得られる。ま
た、電流ｉ、電圧ｖ及び冷媒温度Ｔa を測定し、これを
基に、演算手段によってジャンクション温度Ｔj を求め
ることによって、半導体素子のケース温度の測定が困難
な装置にも適用して前述と同様の効果を得ることができ
る。
及び半導体素子のケース温度Ｔc を測定し、これを基に
演算手段によってジャンクション温度Ｔj を演算するこ
とによって、過渡的に変化するジャンクション温度Ｔj
を正確に求めることが可能になり、より適切な半導体素
子の過熱保護が可能になるという効果が得られる。ま
た、電流ｉ、電圧ｖ及び冷媒温度Ｔa を測定し、これを
基に、演算手段によってジャンクション温度Ｔj を求め
ることによって、半導体素子のケース温度の測定が困難
な装置にも適用して前述と同様の効果を得ることができ
る。
【００３１】また、半導体素子の電流と電圧は測定する
が、冷媒温度は設定値Ｔamを使用することによって、冷
媒温度測定手段が不要になる。また、損失も設定値Ｗm
を使用することによって電流と電圧の測定手段も不要に
なる。運転中か停止中かの区別を演算手段内に設けたス
イッチで行い、運転中での損失は設定損失値、停止中で
は零にすることによって間欠負荷を模擬した半導体素子
のジャンクション温度Ｔj を求めることができる。全て
の測定手段が不要になるので装置が簡素になりしたがっ
て安価になるという効果が得られる。
が、冷媒温度は設定値Ｔamを使用することによって、冷
媒温度測定手段が不要になる。また、損失も設定値Ｗm
を使用することによって電流と電圧の測定手段も不要に
なる。運転中か停止中かの区別を演算手段内に設けたス
イッチで行い、運転中での損失は設定損失値、停止中で
は零にすることによって間欠負荷を模擬した半導体素子
のジャンクション温度Ｔj を求めることができる。全て
の測定手段が不要になるので装置が簡素になりしたがっ
て安価になるという効果が得られる。
【図１】この発明の第１の実施例を示す半導体素子の過
熱保護装置の機能ブロック図
熱保護装置の機能ブロック図
【図２】この発明の第２の実施例を示す半導体素子の過
熱保護装置の機能ブロック図
熱保護装置の機能ブロック図
【図３】この発明の第３の実施例を示す半導体素子の過
熱保護装置の機能ブロック図
熱保護装置の機能ブロック図
【図４】この発明の第４の実施例を示す半導体素子の過
熱保護装置の機能ブロック図
熱保護装置の機能ブロック図
【図５】間欠運転条件での半導体素子の損失と温度の時
間的変化を示すグラフ
間的変化を示すグラフ
【図６】短時間過負荷条件での半導体素子の損失と温度
の時間的変化を示すグラフ
の時間的変化を示すグラフ
１００ 半導体電力変換装置 １０１ 電流測定手段 １０２ 電圧測定手段 １０３ ケース温度測定手段 １０４ 周囲温度測定手段（冷媒温度測定手段） １０５ 周囲温度設定手段（冷媒温度設定手段） １０６ 損失設定手段 １，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 演算手段 １１ 損失演算手段 １２，１５ 温度差飽和値演算手段 １３，１６ 過渡温度差演算手段 １４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ 加算手段 １７ スイッチ ２ 保護手段 ２１ 判定手段 ２２ 動作手段
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｈ 7/122 Ｚ 9177−5Ｇ Ｈ０２Ｍ 1/00 Ｒ 8325−5Ｈ 3/10 8726−5Ｈ 7/48 Ｍ 9181−5Ｈ
Claims (5)
- 【請求項１】測定値及び設定値を基に半導体素子のジャ
ンクション温度Ｔjを演算で求める演算手段と、ジャン
クション温度Ｔj が所定の値を越えるかどうかを判定
し、越えると判定されたとき半導体素子を保護する動作
を行う保護手段とからなることを特徴とする半導体素子
の過熱保護装置。 - 【請求項２】半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流
測定手段、電圧ｖを測定する電圧測定手段、及び半導体
素子のケース温度Ｔc を測定するケース温度測定手段を
備え、 演算手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損
失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクシ
ョン温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcmを演算す
る温度差飽和値演算手段、温度差飽和値Ｔjcm から過渡
温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段、及びケース
温度Ｔc と過渡温度差Ｔjcとを加算してジャンクション
温度Ｔj を求める加算器からなることを特徴とする請求
項１記載の半導体素子の過熱保護装置。 - 【請求項３】半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流
測定手段、電圧ｖを測定する電圧測定手段、及び冷媒温
度Ｔa を測定する冷媒温度測定手段を備え、 演算手段が、測定された電流値ｉと電圧値ｖとから半導
体素子の損失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基に
ジャンクション温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔ
jcm を演算する温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基に
ケース温度Ｔc と冷媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam
を演算する温度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ
jcm から過渡温度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段
13、温度差飽和値Ｔcam から過渡温度差Ｔcaを演算する
過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度差Ｔjc、Ｔ
caと冷媒温度Ｔa とを加算してジャンクション温度Ｔj
を求める加算器からなることを特徴とする請求項１記載
の半導体素子の過熱保護装置。 - 【請求項４】半導体素子に流れる電流ｉを測定する電流
測定手段、電圧ｖを測定する電圧測定手段、及び冷媒温
度の設定値Ｔamを設定する冷媒温度設定手段を備え、 演算手段が、電流値ｉと電圧値ｖとから半導体素子の損
失Ｗを演算する損失演算手段、損失Ｗを基にジャンクシ
ョン温度Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcmを演算す
る温度差飽和値演算手段12、損失Ｗを基にケース温度Ｔ
c と冷媒温度Ｔ a との温度差飽和値Ｔcam を演算する温
度差飽和値演算手段15、温度差飽和値Ｔ jcm から過渡温
度差Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和
値Ｔcamから過渡温度差Ｔcaを演算する過渡温度差演算
手段16、及び２つの過渡温度差Ｔ jc、Ｔcaと冷媒温度設
定値Ｔamとを加算してジャンクション温度Ｔj を求める
加算器からなることを特徴とする請求項１記載の半導体
素子の過熱保護装置。 - 【請求項５】損失の設定値Ｗm を設定する損失設定手
段、及び冷媒温度の設定値Ｔamを設定する冷媒温度設定
手段を備え、 演算手段が、損失設定値Ｗm を基にジャンクション温度
Ｔj とケースとの温度差飽和値Ｔjcm を演算する温度差
飽和値演算手段12、損失Ｗm を基にケース温度Ｔc と冷
媒温度Ｔa との温度差飽和値Ｔcam を演算する温度差飽
和値演算手段15、温度差飽和値Ｔjcm と温度差飽和値Ｔ
cam とが入力されて、半導体電力変換装置の運転中にオ
ンとなって入力値がそのまま出力され、停止中のときに
オフとなって零値が出力されるスイッチ17、温度差飽和
値Ｔjcm に対応するスイッチ17の出力値から過渡温度差
Ｔjcを演算する過渡温度差演算手段13、温度差飽和値Ｔ
ca m に対応するスイッチ17の出力値から過渡温度差Ｔca
を演算する過渡温度差演算手段16、及び２つの過渡温度
差Ｔjc、Ｔcaと冷媒温度設定値Ｔamとを加算してジャン
クション温度Ｔj を求める加算器からなることを特徴と
する請求項１記載の半導体素子の過熱保護装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5278737A JPH07135731A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 半導体素子の過熱保護装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5278737A JPH07135731A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 半導体素子の過熱保護装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07135731A true JPH07135731A (ja) | 1995-05-23 |
Family
ID=17601509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5278737A Pending JPH07135731A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 半導体素子の過熱保護装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07135731A (ja) |
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-
1993
- 1993-11-09 JP JP5278737A patent/JPH07135731A/ja active Pending
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