功率變換裝置的製作方法
2024-02-09 16:53:15
專利名稱：功率變換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用於電動車驅動裝置以及逆變器裝置中的功率變換裝置，特別地，涉及為了實現小型輕量的結構、功率變換用半導體元件的驅動保護手段、故障診斷手段等的高功能化。
背景技術：
對於電動車、特別地對於電動汽車以及混合式車，為了改善安裝空間以及燃料消耗，要求三相電動機驅動用逆變器裝置小型、輕量。一般地，由控制用於將直流電壓變換成交流電壓的功率變換裝置與三相電動機的控制裝置構成，通常，由於功率變換用半導體元件的發熱以及開關噪聲的問題，分別將它們收納在不同的盒體中。
功率變換裝置已經製成將以IGBT為代表的高速半導體元件、用於驅動、保護IGBT的電路一體化形成的智能模塊，例如，在日本專利特開平5-137339號公報中揭示了將IGBT驅動保護電路基板配置在半導體元件上的結構。
又，控制裝置通常採用高性能的微機，將三相電動機的線電流以及轉速等從專用傳感器輸入並進行計算處理，通過將開關信號提供到功率變換裝置內的半導體元件的柵極端子，任意地控制三相電動機的轉速、轉矩、功率。而且，提供給功率變換用半導體元件的柵極端子的開關信號波形，採用稱為PWM的脈衝寬度調製波形，而由於是一般的技術，這裡省略詳細說明。
在以往的逆變器裝置的結構中，如圖18所示，包含僅以信號絕緣電路115a為代表性表示3相內的1相的U相臂的功率變換裝置123、包含微機114a的控制裝置121分別收納在不同的盒體中，即使對於向IGBT驅動保護電路基板供給電源的電源裝置122，由於發熱以及噪聲等問題，也收納在與上述不同的盒體中，又，在U相臂上，包含UH相(上臂U相)驅動保護電路117a、UL相(下臂U相)驅動保護電路118a、作為功率變換元件的開關元件2a、2b以及旁路二極體3a、3b。20為三相電動機。
包含波形整形電路26、絕緣型電源電路116a並且向IGBT驅動保護電路基板供給電源的電源裝置122，當為較小的功率電容時，有時可以與智能模塊內的IGBT驅動保護電路基板形成為一體，當為較大功率電容時，由於電源電路本體的電流容量也變大，由於抑制電源變壓器等的發熱的冷卻處理方法以及基板安裝空間的問題，故將其收納在智能模塊外的其他盒體中。
又，由於IGBT開關動作時的電磁噪聲的影響，會誘發安裝在基板上的電子部件產生錯誤動作，對於以往的IGBT驅動保護電路基板，通過將電子部件配置在整個基板上面(C面)並將下面(S面)作成充分接地圖案，簡易地獲得電磁屏蔽的效果，而另一方面、由於電子部件的安裝空間僅是基板的一面，這成為妨礙提高IGBT驅動保護電路的密集度以及功能的原因。
發明內容
如上所述，在以往的裝置中，由於半導體的發熱、開關噪聲、基板安裝空間的問題，不能夠將IGBT驅動保護電路的電源裝置一體化地安裝在智能模塊內，不能夠實現功率變換裝置、逆變器裝置本體的小型化。
本發明是為了解決上述問題點而作成的，目的在於，提供一種在作為功率變換電路的以往智能模塊內不僅將IGBT驅動保護電路而且還將用於電源供給的電源電路一體化且實現了小型化、輕量化的功率變換裝置，即能夠提供一種通過在功率變換裝置即以往的智能模塊內將電源電路與其他功能混合安裝而獲得不僅使逆變器裝置小型輕量化且為高可靠性、高功能、安全性好的功率變換裝置。
對於每個IGBT元件的基準電位，準備上述電源電路並且其與低壓電源系統完全電氣絕緣。因此，通過在功率變換裝置內將電源電路作成一體，能夠在智能模塊內匯集高壓系統，由於能夠與低壓電源系統電氣分離，故在電動汽車等的用途中，能夠提供安全方面上理想的構造。
又，另一目的在於，通過將功率變換裝置內的基極多層化並進行雙面安裝，能夠增加電子部件安裝空間，通過不僅混合安裝上述電源電路而且混合安裝採用微機的數字控制電路，不僅具有以往的IGBT驅動保護功能，而且將報警信號以及故障履歷等的診斷功能、功率變換用半導體元件保護電路的修正調整等高附加價值的功能提供給功率變換裝置。
本發明第1方面的功率變換裝置，在將直流電壓變換成交流電壓的逆變器裝置中，將功率變換用半導體元件、驅動該功率變換用半導體元件且進行保護的驅動保護手段、向該驅動保護手段供給電源的電源電路，在同一模塊中形成一體化。
本發明第2方面的功率變換裝置，將上述驅動保護手段與上述電源電路混合地安裝在基板的兩面，在該基板與上述功率變換用半導體元件之間配置金屬的屏蔽板。
本發明第3方面的功率變換裝置，將上述驅動保護手段與上述電源電路混合安裝在多層基板上，使得產生於該基板內層圖案上的熱量通過上述金屬屏蔽板，向與外部冷卻器連接的底板散熱。
本發明第4方面的功率變換裝置，作為上述電源電路的開關變壓器，採用鐵氧體磁心材料與多層基板組合成的型面低的層變壓器。
本發明第5方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段具備組裝在上述功率變換用半導體元件上的二極體元件、向該二極體元件提供恆定電流的恆流源、對上述二極體元件的兩端電壓波形進行整形的波形整形電路、讀取該波形整形後的上述二極體元件的兩端電壓的微機，根據該讀取的上述二極體元件的兩端電壓與預先存儲的過熱判定溫度數據，使上述功率變換用半導體元件截止。
本發明第6方面的功率變換裝置是上述微機具有在產品出廠時進行溫度圖的校正計算並且預先存儲上述過熱判定溫度數據的校正計算手段；在通常的動作中根據上述過熱判定溫度數據與基板上的溫度檢測器的檢測輸出進行插補計算的插補計算手段。
本發明第7方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段具備取出上述功率變換用半導體元件的分流電流的讀出端子；將上述分流電流變換成電壓的變換手段；以及對來自該變換手段的電壓與相當於上述功率變換用半導體元件的短路電流的電壓進行比較的短路電流檢測手段，根據該短路電流檢測手段的比較結果，使上述功率變換用半導體元件截止。
本發明第8方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段具備取出上述功率變換用半導體元件的分流電流的讀出端子；將上述分流電流變換成電壓的變換手段；以及對來自該變換手段的電壓與相當於流過上述功率變換用半導體元件的過電流的電壓進行比較的過電流檢測手段，根據該過電流檢測於段的比較結果，不使開關動作截止而使得抑制上述功率變換用半導體元件的di/dt。
本發明第9方面的功率變換裝置，上述驅動保護於段具備比較用於驅動上述功率變換用半導體元件的柵極輸入信號的邏輯電平與該功率變換用半導體元件的柵極端子電壓邏輯電平進行比較的柵極短路檢測手段，當該柵極短路檢測手段的比較結果不一致時，將上述功率變換用半導體元件截止。
本發明第10方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段具備對上述功率變換用半導體元件的柵極的柵極電壓與柵極電壓異常判定用電壓進行比較的柵極電壓異常判定手段，根據該柵極電壓異常判定手段的比較結果，將上述功率變換用半導體元件截止。
本發明第11方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段在截止上述功率變換用半導體元件時，抑制該半導體元件的di/dt。
本發明第12方面的功率變換裝置，上述驅動保護手段在截止上述功率變換用半導體元件時，同時截止該半導體元件以外的所有半導體元件的柵極輸入信號，並且將以何種保護功能截止上述半導體元件的情況輸出到外部的控制單元。
本發明第13方面的功率變換裝置，具備將高壓電源進行分壓的分壓電路；對由該分壓電路分壓後的電壓進行波形整形、A/D變換處理並且對該A/D變換值進行圖插補計算的微機；將該微機的計算結果變換成以低壓電源為基準的電壓電平並且作為高壓電源的電壓值輸出到外部的控制單元的輸出手段。
本發明第14方面的功率變換裝置具備調整手段，該調整手段在產品出廠時進行電壓圖的校正計算，並且將高壓電源分壓電壓的A/D變換圖數據預先存儲到上述微機中。
本發明第15方面的功率變換裝置，上述微機具有對上述高壓電源分壓電壓的A/D變換值與預先存儲的過電壓數據進行比較的過電壓判定手段，當超過過電壓電平時，抑制上述功率變換用半導體元件的di/dt並進行截止，同時將截止該功率變換用半導體元件的情況輸出到外部的控制單元。
圖1是表示本發明實施形態1的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖2是表示本發明實施形態1的功率變換裝置的內部結構的側面圖。
圖3是表示本發明實施形態2的功率變換裝置的內部結構的剖視圖。
圖4是使用於本發明實施形態4的功率變換裝置中的低型面變壓器的側面圖。
圖5是表示本發明實施形態5的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖6是使用於本發明實施形態5的功率變換裝置中的溫度檢測用二極體的Vf/if特性例的圖。
圖7是表示使用於本發明實施形態5的功率變換裝置中的溫度檢測用二極體的Tj/Vf特性例的圖。
圖8是表示本發明實施形態6的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖9是表示本發明實施形態6的功率變換裝置的底板溫度檢測方法的一例的側面圖。
圖10是表示本發明實施形態7的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖11是表示本發明實施形態8的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖12是表示本發明實施形態8的功率變換裝置的動作波形例。
圖13是表示本發明實施形態9的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖14是表示本發明實施形態10的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖15是表示本發明實施形態12的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖16是表示本發明實施形態13以及實施形態15中的功率變換裝置的電路結構的框圖。
圖17是表示本發明實施形態14的功率變換裝置的電路結構框圖。
圖18是表示包含以往的功率變換裝置的逆變器裝置的電路結構的框圖。
符號說明1主基板(PCB)，2功率變換用半導體元件(開關元件)，3功率變換用半導體元件(旁路二極體)，4金屬屏蔽板，7絕緣基板，8開關功率模塊底板，9膠狀填充材料，11開關功率模塊盒，12盒體，15鐵氧體磁心材料，16多層基板，17連接布線，18型基體，19功率變換裝置，20電動機，21柵極信號開閉元件，22波形整形電路，23過熱識別手段，24過熱判定溫度存儲手段，25過熱保護手段，26柵極驅動信號波形整形電路，27溫度檢測二極體，28恆流源，29過熱判定溫度校正手段，30基板溫度傳感器，31調整裝置，32溫度計測手段，33存儲數據更新手段，34表面溫度傳感器，35檢查裝置夾具，36分流電流讀出端子，37電流-電壓變換電路，38短路電流檢測電路，39柵極截止控制電路，40電流-電壓變換電路，41過電流檢測電路，42di/dt控制電路，43柵極短路檢測電路，44柵極電壓檢測電路，45柵極電壓異常判定電路，46保護功能控制手段，47保護功能動作狀態輸出手段，48全相柵極信號截止手段，50高壓電源輸入電路，51微機，53圖插補計算手段，54信息存儲手段，55絕緣傳遞手段，56數字數據輸出手段，57串行通信手段，58過電壓判定手段，60調整裝置，111控制電路，112電源電路，113功率變換電路，117b、118b驅動保護電路具體實施形態以下，參照圖面對於本發明的一實施形態進行說明。圖中，與圖18中相同的符號，表示相同或相當的部分。又，功率變換裝置的基本動作一般與稱作為逆變器的裝置相同或者相類似，故省略說明，對於功率變換用半導體元件的描述，將與直流功率輸入(圖中，P-N間)的高電位(P)側連接的元件稱為上臂元件、將與低電位側(N)連接的元件稱為下臂元件。
實施形態1圖1是表示本發明實施形態1的功率變換裝置的電路結構的框圖。
在圖1中，19是功率變換裝置，20是三相電動機，111是包含微機114b等的控制電路，112是包含波形整形電路26、絕緣型電源電路116b並且向IGBT驅動保護電路基板供給電源的電源電路，113是包含信號絕緣電路115b與僅代表性表示3相內的1相的U相臂的功率變換電路。又，在U相臂上包含作為驅動保護手段的UH相驅動保護電路117b、UL相驅動保護電路118b、作為功率變換用半導體元件的開關元件2a、2b以及旁路二極體3a、3b。
控制電路111的微機114b根據來自外部的信息生成驅動功率變換用半導體元件的開關信號。該開關信號通過絕緣型電源電路116b以及信號絕緣電路115b而與微機114b工作的低壓電源系電氣分離，並且相互電氣分離的U、V、W相傳遞到各上下臂元件的柵極端子。這裡，在功率變換裝置19的內部產生上述的開關信號或者或者從未圖示的外部的控制裝置提供上述開關信號，可以是任意的。
圖2是表示本發明實施形態1的功率變換裝置的內部結構的剖視圖。
在圖2中，1是除了功率變換用半導體元件(開關元件2、旁路二極體3)而安裝控制電路111、電源電路112、功率變換電路113等的主基板(以下，單稱作PCB)，4是金屬屏蔽板，5是控制電路基板連接布線，6是連接導體，7是絕緣基板，8是開關功率模塊基板，9是膠狀填充材料，10是外部連接用電極母線，11是開關功率模塊盒，12是盒體。
PCB1上安裝有驅動保護功率變換用半導體元件的驅動保護電路、用於向驅動保護該半導體元件的電路供給電源的電源電路、外部連接用的接口電路(控制電路)。這裡，PCB1是沒有限制在一面安裝部件或者兩面安裝的差異以及基板的材料、形狀等的主基板。另一方面，形成產品的外部輪廓的同時，在用於將半導體元件連接到未圖示的冷卻器的基板8上，通過為了電氣絕緣而設置的絕緣基板7配置半導體元件。又，盒體11將外部連按用電極母線10與控制電路基板連接布線5形成一體，並且與基板8結合。再者，半導體元件、電極母線10、控制電路基板連接布線5通過連接導體6電氣連接，PCB1由控制電路基板連接布線5電氣連接。
如此，在本實施形態中，在安裝有驅動保護功率變換用半導體元件的電路的基板上，混合安裝向驅動保護半導體元件的電路供給電源的電源電路，由於與功率變換用半導體元件在同一模塊內作成一體化，故能夠實現功率變換裝置的小型輕量化以及逆變器裝置本體的小型化。而且，功率變換用半導體元件若是高速開關用半導體元件，則除了IGBT還可以採用MOSFET等的半導體元件。
實施形態2圖3是表示本發明實施形態2的功率變換裝置的內部結構的剖視圖。
本實施形態是在上述實施形態1構造基礎上，例如，如圖3所示，利用用於將PCB1固定到開關功率模塊盒11上的螺釘13a，將PCB1與金屬屏蔽板4固緊，通過與開關功率模塊11形成一體的插入螺母14，能夠將金屬屏蔽板4與基板8電氣結合。
即，為了確保基板的部件安裝空間，通過使混合安裝驅動保護功率變換用半導體元件的電路與電源電路的基板，即PCB1為雙而安裝，為了獲得與以往技術中的基板下面(S面)充分接地圖案同等之上的減少電磁噪聲的效果，在基板與功率變換用半導體元件之間配置開關頻帶的透磁率低的金屬屏蔽板4。
如此，在本實施形態中，由於將基板8在與未圖示的冷卻器連接的狀態下使用，通過使得主要由金屬構成的冷卻器電位穩定，能夠有效減輕電磁噪聲對於PCB1的影響，不需要以往的IGBT驅動保護電路基板那樣的充分接地圖案。結果，能夠容易地進行PCB1的雙面安裝，能夠為裝置的小型化作出貢獻。
實施形態3本實施形態在上述實施形態2基礎上，還將PCB1實質上形成多層，將內層充分接地圖案通過金屬屏蔽板4以及插入螺母14與基板8電氣且導熱性結合。
如此，在本上述形態中，使得混合安裝驅動保護功率變換用半導體元件的電路與電源電路的基板為多層基板，並且將基板的內層圖案與發熱量大的元件的導線部連接，通過金屬屏蔽板4與基板內層圖案，與基板在多個點上固緊，由於，發熱量大的部件通過內層圖案與金屬屏蔽板4向與外部冷卻器連接的基板8散熱，故能夠提高PCB1的冷卻效果並且抑制功率變換裝置內部的溫度上升。
實施形態4圖4是表示使用於本發明實施形態4的功率變換裝置中的低型面變壓器的側面圖。
在本實施形態中，作為向用於驅動保護功率變換用半導體元件的電路供給電流的電源電路的開關變壓器，例如，採用圖4所示形狀的、將鐵氧體磁心材料15與多層基板16組成的低型面的層變壓器(sheet transformer)。
如此，在本實施形態中，為了使得向用於驅動保護功率變換用半導體元件的電路供給電流的電源電路小型化、輕量化，沒有採用以往技術的繞線型變壓器，而具備將鐵氧體磁心材料與多層基板組合後的表而安裝方式的層變壓器，構成即使在車載用途那樣的耐振條件嚴格的環境下也能夠使用的低型面結構的絕緣型電源電路，因此，能夠獲得較大容量的電源，同時能夠兼顧實現小型化、輕量化。
實施形態5圖5是表示本發明實施形態5的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖5中，對於與圖1相對應的部分，採用相同的符號並省略說明。又，這裡，表示了從未圖示的外部的控制裝置提供用於驅動功率變換用半導體元件的開關信號的情況。
在圖中，21a、21b是柵極信號開閉元件，22是波形整形電路，23是過熱識別手段，24是過熱判定溫度存儲手段，25是過熱保護手段，26是柵極驅動信號波形整形電路，27是溫度檢測二極體，28是恆流源。又，柵極信號開閉元件21a、21b、柵極驅動信號波形整形電路26實際構成驅動保護手段的驅動部分，從波形整形電路22到過熱手段包含實際上構成驅動保護手段的保護部分。又，過熱識別手段23、過熱判定溫度存儲手段24以及過熱保護手段25構成微機。
其次，對於動作進行說明。
利用對於功率變換用半導體元件2或3的功率變換操作(開關)流過電流時，由於半導體元件的內部損失而進行發熱。當半導體元件過度發熱時，有時會發生元件過熱損壞。因此，可以由過熱識別手段23檢測出半導體元件的溫度並且為了進行過熱保護判定是否切斷(柵極截止)柵極信號。當判定為進行柵極截止時，從過熱識別手段23向過熱保護手段25傳遞信號。在過熱保護手段25接收該信號並控制柵極信號開閉元件21a、21b，且截斷從柵極驅動信號波形整形電路26向半導體元件2a、2b傳遞柵極信號。
過熱識別手段23中的半導體元件的溫度檢測具體地如下述這樣進行。首先，作為半導體元件的溫度傳感器，將溫度檢測二極體27與半導體元件形成在同一基板上。溫度檢測二極體27與恆流源28連按。從恆流源28流出的恆定的電流if流入溫度檢測二極體27的陽極側而從陰極側流出。此時的通電電流稱作為從流入溫度檢測二極體27時的極性起的正向電流。又，在溫度檢測二極體27的陽極-陰極之間產生的電位差稱為正向電壓Vf。過熱識別手段23通過連接在溫度檢測二極體27的陽極與陰極之間的波形整形電路22輸入正向電壓Vf。
這裡，在二極體的正向電壓Vf與正向電流if之間，利用物理性質，獲得圖6所示的特性。即，依賴於二極體的接合部分溫度Tj相對於正向電流if的正向電壓Vf發生變動。變動的方向是相對於接合部分溫度Tj的上升而正向電壓Vf下降。
又，對二極體同恆定的正向電流if通電時的正向電壓Vf相對於接合部分溫度Tj具有圖7所示的特性。即，相對於接合部分溫度Tj上升，正向電壓Vf降低。因此，若讀取使得通過恆定的正向電流的二極體其正向電壓Vf的變動，則能夠檢測二極體接合部分溫度Tj的變化。
即，過熱識別手段23輸入溫度檢測二極體27的正向電壓Vf並且識別溫度檢測二極體27的接合部分溫度Tj的變動。此時，通過在半導體元件的附近形成溫度檢測二極體27以及將溫度檢測二極體27的正向電流if的大小設定為二極體自身不會過熱的較低值，能夠作為半導體元件的接合部溫度讀出溫度檢測二極體27的接合部分溫度Tj。過熱識別手段23通過比較接合部分溫度Tj與過熱判定溫度存儲手段24中預先存儲的過熱判定溫度，由此判定是否進行過熱保護。
如此，在本實施形態中，作為功率變換用半導體元件的過熱保護功能，在以往的技術中，採用在絕緣基板上貼附熱敏電阻等的溫度檢測元件，而具備安裝在半導體元件上的利用二極體元件的溫度-Vf特性的晶片級(on-chip)溫度傳感器，構成與功率變換用半導體元件的中心部溫度的溫度差極小且隨溫度變化良好的功率變換用半導體元件的溫度傳感器，實現利用微機的插補運算手段的高精度的過熱保護。即，對於與功率變換用半導體元件形成在同一基板上的二極體，通以恆定的正向電流，通過讀取二極體的正向電壓，能夠識別半導體元件的溫度。該溫度檢測由於比以往採用熱敏電阻進行溫度檢測應答特別快速，故能夠在短時間中高精度地檢測出半導體元件的溫度上升，能夠提高半導體元件的過熱保護特性。
實施形態6圖8是表示本發明實施形態6的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖8中，對於與圖5對應的部分，採用相同的符號並省略說明。
在該圖中，29是作為插補計算手段的過熱判定溫度校正手段，30是基板溫度傳感器，31是調整裝置，32是溫度計測手段，33是作為校正計算手段的存儲數據更新手段，34是表面溫度傳感器。
調整裝置31是與功率變換裝置19的出廠檢查步驟相連的檢查裝置之一，在實施檢查中，採用未圖示的串行通信手段與存儲數據更新手段33進行信息交換。
圖9是表示本發明實施形態6的功率變換裝置的基板溫度檢測方法一示例的側面圖。
在該圖中，34是表面溫度傳感器，相當於圖8中的34a、34b、34c。對於U、V、W各相分別配置表面溫度傳感器34，以使得能夠計測內安裝有溫度檢測二極體27的下臂側半導體元件2為最高溫度的部位正下方的基板8的溫度。35是內部裝有未圖示的加熱器的檢查裝置夾具，該加熱器使得將功率變換裝置19的基板8均勻變熱，由調整裝置31進行溫度控制使得半導體元件2為恆定溫度。作為檢查對象的功率變換裝置19，基板8的溫度與半導體元件2的接合部溫度的關係由另外途徑進行管理。對於溫度關係的管理方法省略說明，而在本產品出廠時的檢查步驟中的研究調整步驟是相對於U、V、W所有相跨常溫下和高溫下的2度進行實行。
圖8中，對於U相臂的情況，說明溫度圖校正計算方法。
首先，調整裝置31通過溫度計測手段32讀取常溫下的表而溫度傳感器34a的溫度Tcold，與相識別信息一同向功率變換裝置19的存儲數據更新手段33傳遞溫度信息。存儲數據更新手段33存儲從調整裝置31傳遞來的基板8的溫度Tcold與溫度檢測二極體27的正向電壓Vfcold。
其次，讀取高溫下的表面溫度傳感器34a的溫度Thot，同樣地向存儲數據更新手段33傳遞溫度信息。存儲數據更新手段33獲得從調整裝置31傳遞來的基板8的溫度Thot與溫度檢測二極體27的正向電壓Vfhot並且從這4個參數中獲得下述的U相臂Tj-Vf特性的斜率(dT/dV)。
dT/dV＝(Thot-Tcold)/(Vfhot-Vfcold)存儲數據更新手段33例如將上述Tcold與Vfcold與dT/dV存儲到過熱判定溫度存儲手段24中，由此可見在通常動作中，根據讀取的溫度檢測二極體27的正向電壓Vf，利用下式能夠計算出上述接合部分溫度Tj。
Tj＝(Vf-Vfcold)×(dT/dV)+Tcold再者，在功率變換裝置19的PCB1上，安裝用於計測基板(PCB1)的溫度的基板溫度傳感器30，利用過熱判定溫度校正手段29讀取溫度信息。在通常的動作中，過熱判定溫度校正手段29計測基板上的溫度，這裡，根據未說明的、預先所存儲的基板安裝電子部件的溫度漂移校正圖，作為計算係數Kd算出上述的dT/dV的變化量，利用下式校正上述的接合部分溫度Tj，能夠獲得高精度的接合部分溫度Tj』Tj』＝Tj×Kd如此，在本實施形態中，為了校正作為二極體元件的溫度檢測二極體27的特性偏差，在常溫、高溫的條件下，將二極體元件的Vf電壓在產品出廠時預先存儲在功率變換裝置內的微機中，根據該斜率(dT/dV)插補計算實際的元件溫度，再者，將基板上的溫度檢測元件(例如熱敏電阻)的值用於基板安裝電子部件的溫漂移校正，通過計算出係數，即使在車載用途那樣的溫度範圍大的環境下，也能夠高精度地檢測溫度。
實施形態7圖10是表示本發明實施形態7的功率變換裝置的電路結構的框圖。又，在圖10中，對於與圖5對應的部分，採用相同的符號並省略說明。
在該圖中，36a、36b是取出半導體元件的分流電流的讀出端子，37a、37b是作為變換手段的電流-電壓變換電路，38a、38b是作為與短路電流相當的電壓值進行比較的短路電流檢測手段的短路電流檢測電路，39a、39b是作為在短路電流檢測時控制柵極截止時刻與截止實行時間的柵極截止控制手段的柵極截止控制電路。
如此，在本實施形態中，著眼於在功率變換用半導體元件中，IGBT以及MOSFET器件的結構上並列配置晶片內部，監視流過半導體元件的電流的分流電流端子，在產生短路電流時截止該半導體元件的柵極控制信號，由此能夠防止損壞該半導體元件，能夠進行半導體元件的短路電流保護。
實施形態8圖11是表示本發明實施形態8的功率變換裝置的電路結構框圖。又，在圖11中，對於與圖5對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在該圖中，36a、36b是與上述相同的取出半導體元件的分流電流的讀出端子，40a、40b是作為變換手段的電流-電壓變換電路，也可以兼用上述的電流-電壓變換電路37。41a、41b是作為與過電流相當的電壓值進行比較的過電流檢測手段的過電流檢測電路，42a、42b是在檢測過電流時使得半導體元件的電流截止速度變慢的di/dt控制電路。
其次，參照圖12以IGBT驅動為示例來說明di/dt控制。
在圖12中，101是例如從圖11的柵極信號輸出手段即柵極驅動信號波形整形電路26輸出的波形整形後的柵極驅動指令信號。102a以及103a是di/dt控制非動作時IGBT柵極電壓波形與集電極-發射極間的電壓波形。同樣地，102b以及103b是di/dt控制動作時IGBT柵極電壓波形與集電極-發射極間的電壓波形。
一般地，很多時候以降低開關頻率增高帶來的損失為目的，柵極驅動指令信號101相對於IGBT柵極在允許的範圍中求得較快的變化速度。另一方面，柵極驅動指令的變化速度即集電極電流的變化速度，利用與集電極電流路徑上存在的電感成分之積體現為開關浪湧電壓，故半導體元件的耐壓、其他附加在同一系統上的電子部件的耐壓等方面上，受到限制。因此，柵極驅動指令信號的變化速度由與半導體元件特性相適用的系統結構規定。
由過電流檢測電路41檢測出集電極電流小於所述短路檢測電流且增加到規定值以上的情況，由此di/dt控制功能發揮作用，使得如102b減慢柵極驅動信號的截止速度。由此，集電極電流的截止速度以及集電極-發射極之間的電壓回歸速度103b也變慢。結果，使得與電流變化速度與電流路徑電感之積成正比的開關浪湧電壓降低，能夠防止過電流時浪湧電壓上升導致超過耐壓。
如此，在本實施形態中，作為功率變換用半導體元件的過電流保護功能，監視上述分流電流，僅在小地短路電流且大於通常流過半導體元件的最大電流時，不截止半導體元件的開關動作，而切換電路使得半導體元件的柵極阻抗增大並控制di/dt，由此能夠抑制開關時產生的浪湧電壓，並且能夠防止在產生過電流時因浪湧電壓導致超過耐壓的情況。
實施形態9圖13是表示本發明實施形態9的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖13中，對於與圖10相對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在該圖中，43a、43b是作為檢測出輸入的柵極驅動信號的邏輯電平與半導體元件的柵極端子電壓邏輯電平的排斥的邏輯和的柵極短路檢測手段的柵極短路檢測電路，當兩者的邏輯電平不同時，利用柵極截止控制手段39a、39b截止該半導體元件的柵極控制信號。
如此，在本實施形態中，作為功率變換用半導體元件的柵極信號短路保護功能，比較驅動半導體元件的電路的柵極輸入信號即來自外部控制單元的柵極驅動信號的電壓邏輯電平、與半導體元件的柵極端子的電壓邏輯電平，當兩者不一致時，截止半導體元件，即在半導體元件的柵極短路時通過截止該半導體元件的柵極控制信號，能夠防止損壞該半導體元件。
實施形態10圖14是表示本發明實施形態10的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖14中，對於與圖10相對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在圖14中，44a、44b是柵極電壓檢測電路，45a、45b是柵極電壓異常判定電路。
由柵極電壓檢測電路44a、44b檢測出半導體元件的柵極電壓，並且與作為柵極電壓異常判定手段的柵極電壓異常判定電路45所設定的柵極電壓異常判定用電壓相比較，當存在異常時，截止半導體元件的導通。
如此，在本實施形態中，作為功率變換用半導體元件的柵極電壓異常保護功能，監視電源電路生成的半導體元件其各柵極驅動用電源電壓相對於額定電壓是否下降或上升，作為柵極電壓的異常狀態，當超過規定的上限電壓時，通過截止半導體元件，能夠防止過電壓損壞柵極，或者在比規定的下限電壓更低時，能告知由於該半導體元件的發熱增加引起的性能下降。
實施形態11在本實施形態中，當上述實施形態5所提出的過熱保護功能、以及上述實施形態7所提出的短路電流保護功能、上述實施形態9所提出的柵極短路保護功能中的任意一個進行動作而截止柵極信號時，通過兼用上述實施形態8中所提出的di/dt控制電路，為了防止開關截止時過電壓引起該半導體元件的過電壓損壞，能夠使得該半導體元件的電流截止速度變慢。
如此，在本實施形態中，對於功率變換用半導體元件的所有的保護功能，在截止半導體元件時，由於使得半導體元件的柵極阻抗增大而切換電路並且抑制半導體元件的di/dt，故能抑制截止時的過電壓，防止元件因過電壓破壞導致的二次損害。
實施形態12圖15是表示本發明實施形態12的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖15中，對於與圖11相對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在圖15中，46a、46b是保護功能控制手段，47是保護功能動作狀態輸出手段，48是全相柵極信號截止手段。保護功能控制手段46a、46b包含上述實施形態5所示的過熱保護功能、上述實施形態7所示的短路電流保護功能、上述實施形態8所示的過電流保護功能、上述實施形態9所示的柵極短路保護功能。
保護功能控制手段46a、46b在上述任何一個保護功能進行動作並且截止對應相的柵極控制信號時，向保護功能動作狀態輸出手段47傳遞當前何種保護功能正在動作的情況。保護功能動作狀態輸出手段47將進行該保護功能動作並且被截止柵極控制信號的相之外的所有相的柵極控制信號通過全相柵極信號截止手段48同時地截止，並且具有將該半導體元件是被何種保護功能截止的情況輸出到未圖示的外部控制單元的功能。
如此，在本實施形態中，對於功率變換用半導體元件的所有的保護功能，當由保護功能截止半導體元件的任何一個時，強制地截止該半導體元件以外的所有半導體元件的柵極輸入信號，並且，將截止哪個半導體元件的情況，由於利用變換成低壓電源基準的電壓電平的串行通信或邏輯信號等，輸出到外部的控制單元，故能夠保護功率變換裝置以至逆變器裝置整體，能夠防止導致二次損害。
實施形態13圖16是表示本發明實施形態13的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖16中，對於與圖5相對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在該圖中，50是作為將高壓電源進行分壓的分壓電路的高壓電源輸入電路，51是微機，52是A/D變換器埠，53是圖插補計算手段，54是信息存儲手段，55是作為輸出手段的絕緣傳遞手段，56是數字數據輸出手段，57是串行通信手段，58是過電壓判定手段，59是D/A變換電路。
其次，對於動作進行說明。
通過高壓電源輸入電路50將高壓電源的輸入電壓分壓、波形整形之後，輸入到微機51的A/D變換器埠52，作為A/D變換值獲得高壓電源電壓。在微機51中，事先存儲用於獲得所要求的變換特性的圖(以下，記作變換特性圖)，從A/D變換值通過圖插補計算手段53獲得作為目標的輸出值。這裡，具有變換特性圖是指，不僅將輸入電壓特性加工成任意的輸出電壓特性(特性變換)，而且相對於輸入的高壓電源電壓的輸出電壓值精度很高。
功率變換裝置19將獲得的特性變換後的高壓電源電壓值通過絕緣傳遞手段55進行電氣絕緣之後，對於配置在功率變換裝置19外部的未圖示的系統(例如，向本裝置供給控制信號的控制單元)，通過D/A變換電路59輸出該外部系統工作時的電源基準的模擬電壓，或者通過串行通信手段57作為數字數據輸出。
又，在本實施形態中，不論是模擬電壓輸出還是數位訊號輸出的輸出形態，在要將數字變換後的信息提供給基準電源不同的系統時，著眼於以數字信息的等級實行電氣絕緣(基準電源變換)處理，則不必考慮與本裝置相連接的、以低壓電源基準工作的所有設備中與高壓電源的絕緣處理，能夠實現各設備的小型化。
如此，在本實施形態中，將作為高壓電源電壓的PN間電壓通過A/D變換處理讀取到微機中，對於外部的控制單元，變換成低壓電源基準的電壓電平並且通過串行通信或模擬信號等進行輸出，故不需要考慮以低壓電源基準進行工作的所有設備中與高壓電源的絕緣處理，故能夠實現各設備的小型化。
實施形態14圖17是表示本發明實施形態14的功率變換裝置的電路結構的框圖。在圖17中，對於與圖16相對應的部分，採用同一符號並省略說明。
在該圖中，60是作為調整手段的調整裝置。在功率變換裝置19的出廠檢查步驟中，將調整裝置60與功率變換裝置19連接。
這裡，對於電壓圖的校正方法進行說明。
調整裝置60採用通過串行通信手段57的傳送規定信息的識別方法或者向高壓系電壓輸入電路50輸入規定電壓模式的識別方法，對於功率變換裝置19識別其在出廠檢查步驟中的情況。調整裝置60對於功率變換裝置19輸入規定的高壓電壓，微機51利用串行通信手段57將由A/D變換器埠52讀取的數據輸出並獲得。
同時，使得從數字數據輸出手段56輸出相當於A/D變換結果的電壓並且從微機51取得。調整裝置60對於多個高壓電壓埠重複相同的步驟，能夠獲得施加在功率變換裝置19上的高壓電壓值(VPN)、微機51進行A/D變換後的結果的數字數據(VAD)、微機51輸出A/D變換值相當的電壓時實際的模擬輸出電壓(VAN)的相關特性。根據上述校正手段，由於能夠獲得實際的高壓電壓輸入值、與微機得到的實際A/D變換結果這兩者，則能夠將電子部件的精度以及線性引起的測定誤差減小到極小程度。
結果，調整裝置60從VPN對VAD的特性，能夠同時提高對輸入電壓特性的任意加工、相對於輸入的高壓電源電壓的輸出值的高精度，能夠獲得數字數據輸出用的變換特性圖。同樣地，根據VPN對VAD的特性以及VAD對VAN的特性，能夠獲得模擬電壓輸出用的特性變換圖。調整裝置60將特性變換圖存儲到功率變換裝置19內部安裝的信息存儲手段54中。
該存儲方法可以從調整裝置60直接寫入，也可以利用串行通信手段57等傳遞到功率變換裝置19內部安裝的微機51中並寫入微機51。由此，根據低壓電源電壓基準信號，由於外部的控制電路能夠監視高壓電源電壓，故不需要進行與高壓電源電壓的電氣絕緣處理，在提高耐EMI性以及安全方面，能夠進行最適當的方案布置。
如此，在本實施形態中，為了在微機中校正將高壓電源進行A/D變換處理時變換電路的電子部件特性偏差，具備使得多個埠上的高壓電源的變換值預先在出廠時作為圖數據存儲在微機的插補計算手段，因此不需要採用高精度的電子部件，能夠提供電壓測定精度以及線性良好的高壓電源電壓監視電路。
實施形態15作為本實施形態的電路結構，雖然沒有圖示，而採用與上述實施形態13相同的圖(圖16的電路結構)，並且在其上連接上述實施形態14所述的調整裝置60。
上述調整裝置60在作成特性變換圖時，根據已知的過電壓判定標準值計算過電壓判定值並且該過電壓判定值存儲到功率變換裝置19的內裝的信息存儲手段54中。
功率變換裝置19具備比較高壓電源分壓電壓的A/D變換值與預先存儲在微機51中的過電壓判定值的手段即過電壓判定手段58，當超過過電壓電平時，為了進行安裝在逆變器裝置上的所有部件的過電壓保護，抑制半導體元件的開關速度(di/dt特性)並且截止，同時，利用使得變換成低壓電源基準的電壓電平的串行通信手段57等的異常發生信號輸出手段，將截止半導體元件的情況通知外部的控制單元。
如此，在本實施形態中，作為安裝在逆變器裝置上的所有部件的過電壓保護，當PN間的高壓電源電壓超過預先設定在微機中的過電壓電平時，抑制功率變換用半導體元件的di/dt並且截止所有的半導體元件，同時，利用使得變換成低壓電源基準的電壓電平的串行通信或邏輯信號等，將使半導體元件截止的情況通知外部的控制單元，因此，能夠防止安裝在逆變器裝置中的除功率變換用半導體元件之外的高壓部件例如直流電壓濾波用電容等的過電壓損壞。
如上所述，根據本發明，由於能夠使得在同一模塊內一體形成用於向功率變換用半導體元件的驅動保護電路供給電源的電源電路，能夠實現功率變換裝置的小型化、輕量化以至逆變器裝置自身的小型化。
又，通過使得以往收納在不同盒體中的電源電路一體化，不僅能夠減少束線，而且能夠大幅度減輕來自外部的電源線疊加噪聲，即使在車載用途那樣的惡劣環境下使用，也能夠顯著地提高系統的可靠性。
又，由於將高壓電源系統的信號都在功率變換裝置內進行處理，對於外部控制單元的信號僅是低壓電源基準的信號。即，高壓電源系統與低壓電源系統的明確地電氣絕緣分離，故在車載用途那樣的低壓電源系統與車體接地相通的系統中，能夠形成安全性最好的逆變器裝置。
又，通過使用晶片級溫度傳感器，能夠高精度、高響應地讀取功率變換用半導體元件的晶片溫度，故能夠使用功率變換用半導體元件一直到元件的電氣額定程度到頂為止。
又，對於外部的控制電路，由於輸出功率變換用半導體元件的正確溫度，故在過熱保護功能動作之前，由外部的控制電路通過抑制三相電動機的轉矩即抑制電動機線電流，可抑制功率變換用半導體元件的發熱、防止因過熱保護功能導致的系統停止。
又，即使在因某種原因功率變換裝置出現故障的情況下，通過截止功率變換用半導體元件，能夠保護功率變換裝置以至逆變器裝置整體，能夠防止二次損害。
又，通過由外部的控制電路存儲保持作為故障內容的診斷信息，能夠發揮故障診斷時的故障檢測效果。
又，因某種原因將過電流流過功率變換用半導體元件的狀態輸出到外部的控制電路，在過熱保護功能或短路電流保護功能進行動作之前，通過外部的控制電路抑制三相電動機的轉矩即抑制電動機線電流，故能抑制功率變換用半導體元件的發熱，並且防止因保護功能導致的系統停止。
又，利用低壓電源電壓基準的信號，外部的控制電路能夠監視高壓電源電壓，因此不需要進行與高壓電源電壓的電氣絕緣處理，在耐EMI性的提高以及安全方面上，能夠進行最適當的方案布置。
再者，能夠防止安裝在逆變器裝置中的除功率變換用半導體元件以外的高壓部件例如直流電壓濾波用電容器等的過電壓損壞。
權利要求
1.一種功率變換裝置，其特徵在於，在將直流電壓變換成交流電壓的逆變器裝置中，將功率變換用半導體元件、驅動該功率變換用半導體元件且進行保護的驅動保護手段、向該驅動保護手段供給電源的電源電路，在同一模塊中形成為一體化。
2.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，將上述驅動保護手段與上述電源電路混合安裝在基板的兩而上，在該基板與上述功率變換用半導體元件之間配置金屬的屏蔽板。
3.如權利要求2所述的功率變換裝置，其特徵在於，將上述驅動保護手段與上述電源電路混合安裝在多層基板上，使得產生於該基板內層圖案上的熱量通過上述金屬屏蔽板而向與外部冷卻器連接的底板散熱。
4.如權利要求3所述的功率變換裝置，其特徵在於，作為上述電源電路的開關變壓器，採用鐵氧體磁心材料與多層基板組合成的型面低的層變壓器。
5.如權利要求1～4任意一項所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段具備；組裝在上述功率變換用半導體元件上的二極體元件、向該二極體元件提供恆定電流的恆流源、對上述二極體元件的兩端電壓波形進行整形的波形整形電路、以及讀取該波形整形後的上述二極體元件的兩端電壓的微機，根據該讀取的上述二極體元件的兩端電壓與預先存儲的過熱判定溫度數據，使上述功率變換用半導體元件截止。
6.如權利要求5所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述微機具有在產品出廠時進行溫度圖的校正計算並且預先存儲上述過熱判定溫度數據的校正計算手段；在通常的動作中根據上述過熱判定溫度數據與基板上的溫度檢測器的檢測輸出進行插補計算的插補計算手段。
7.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段具備取出上述功率變換用半導體元件的分流電流的讀出端子；將上述分流電流變換成電壓的變換手段；以及對來自該變換手段的電壓與相當於上述功率變換用半導體元件的短路電流的電壓進行比較的短路電流檢測手段，根據該短路電流檢測手段的比較結果，使上述功率變換用半導體元件截止。
8.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段具備取出上述功率變換用半導體元件的分流電流的讀出端子；將上述分流電流變換成電壓的變換手段；以及對來自該變換手段的電壓與相當於流過上述功率變換用半導體元件的過電流的電壓進行比較的過電流檢測手段，根據該過電流檢測手段的比較結果，不使開關動作截止而使得抑制上述功率變換用半導體元件的di/dt。
9.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段具備對用於驅動上述功率變換用半導體元件的柵極輸入信號的邏輯電平與該功率變換用半導體元件的柵極端子電壓邏輯電平進行比較的柵極短路檢測手段，當該柵極短路檢測手段的比較結果不一致時，將上述功率變換用半導體元件截止。
10.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段具備對上述功率變換用半導體元件的柵極的柵極電壓與柵極電壓異常判定用電壓進行比較的柵極電壓異常判定手段，根據該柵極電壓異常判定手段的比較結果，使上述功率變換用半導體元件截止。
11.如權利要求5所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段在截止上述功率變換用半導體元件時，抑制該半導體元件的di/dt。
12.如權利要求8所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述驅動保護手段在截止上述功率變換用半導體元件時，同時截止該半導體元件以外的所有半導體元件的柵極輸入信號，並且將以何種保護功能截止上述半導體元件的情況輸出到外部的控制單元。
13.如權利要求1所述的功率變換裝置，其特徵在於，具備將高壓電源進行分壓的分壓電路；對由該分壓電路分壓後的電壓進行波形整形、A/D變換處理並且對該A/D變換值進行圖插補計算的微機；將該微機的計算結果變換成以低壓電源為基準的電壓電平並且作為高壓電源的電壓值輸出到外部的控制單元的輸出手段。
14.如權利要求13所述的功率變換裝置，其特徵在於，具備調整手段，該調整手段在產品出廠時進行電壓圖的校正計算，並且將高壓電源分壓電壓的A/D變換圖數據預先存儲到上述微機中。
15.如權利要求13所述的功率變換裝置，其特徵在於，上述微機具有對上述高壓電源分壓電壓的A/D變換值與預先存儲的過電壓數據進行比較的過電壓判定手段，當超過過電壓電平時，抑制上述功率變換用半導體元件的di/dt並進行截止，同時將截止該功率變換用半導體元件的情況輸出到外部的控制單元。
全文摘要
本發明的功率變換裝置能夠實現小型化、輕量化以至逆變器裝置自身的小型化。在將直流電壓變換成交流電壓的逆變器裝置中，使驅動功率變換用半導體元件(2、3)、驅動該功率變換用半導體元件並且進行保護的驅動保護電路(117b、118b)、向該驅動保護電路供給電源的電源電路(112)在同一模塊內形成為一體。
文檔編號H05K7/14GK1412925SQ0213204
公開日2003年4月23日 申請日期2002年9月6日 優先權日2001年10月12日
發明者前川博敏, 松岡尚吾 申請人:三菱電機株式會社