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CN107565518A - 半导体开关控制装置 - Google Patents

半导体开关控制装置 Download PDF

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CN107565518A
CN107565518A CN201710516844.5A CN201710516844A CN107565518A CN 107565518 A CN107565518 A CN 107565518A CN 201710516844 A CN201710516844 A CN 201710516844A CN 107565518 A CN107565518 A CN 107565518A
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fet
voltage
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大石英郎
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Yazaki Corp
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Abstract

提供一种能够准确判定半导体开关的温度状态的半导体开关控制装置。半导体开关控制装置(1)的FET(12)与FET(11)相邻配置，源极端子彼此串联连接，FET(12)的漏极端子与高电压电池(3)连接，FET(11)的漏极端子与高电压负载(2)连接。而且，控制部(50)基于FET(12)的体二极管(D2)的正向电压Vfa，判定包含FET(11)的负侧主继电器(10B)的温度状态。

Description

半导体开关控制装置
技术领域
本发明涉及半导体开关控制装置。
背景技术
以往，电动汽车、混合电动汽车等搭载有驱动马达等高电压负载、用于驱动该高电压负载的高电压电池，以安全为目的设置有将从高电压电池流向高电压负载的电流接通或者断开的开关。该开关主要使用机械式继电器，但近年来也考虑使用半导体开关(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-235629号公报
发明内容
本发明欲解决的问题
半导体开关由于会因为接通而发热导致温度上升，因此，需要判定半导体开关的温度状态并抑制温度上升。然而，在判定半导体开关的温度状态方面，存在进一步改善的余地。
因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够准确判定半导体开关的温度状态的半导体开关控制装置。
用于解决问题的方案
为解决上述问题，达到目的，本发明所涉及的半导体开关控制装置的特征在于，包括：半导体开关模块，设置在电源和负载之间，将在所述电源与所述负载之间流动的电流接通或者断开；控制部，控制所述半导体开关模块，所述半导体开关模块具有：正向开关，在所述电流流动的方向即正向配置有体二极管；反向开关，与所述正向开关相邻配置，在与所述电流流动的方向相反方向配置有体二极管，所述正向开关与所述反向开关的源极端子彼此串联连接，一者的漏极端子与所述电源连接，另一者的漏极端子与所述负载连接；或者漏极端子彼此串联连接，一者的源极端子与所述电源连接，另一者的源极端子与所述负载连接，所述控制部基于所述正向开关的所述体二极管的正向电压，判定所述半导体开关模块的温度状态。
另外，在所述半导体开关控制装置中，优选的是所述控制部根据所述正向开关的所述体二极管的温度，判定所述半导体开关模块的温度状态，所述正向开关的所述体二极管的温度是基于所述正向开关的所述体二极管的正向电压、在所述正向开关流动的电流而求出的。
另外，在所述半导体开关控制装置中，优选的是包括预充电电路，控制所述反向开关并施加恒定的预充电电流，所述控制部在利用所述预充电电路进行预充电控制的情况下，根据所述正向开关的所述体二极管的正向电压、用于判定所述正向开关的所述体二极管的温度的阈值，判定所述半导体开关模块的温度状态。
另外，在所述半导体开关控制装置中，优选的是所述控制部在判定所述半导体开关模块的温度状态前，在所述正向开关的所述体二极管的正向电压在作为该正向电压的基准的基准电压的范围外的情况下，判定为所述正向开关故障，并将所述反向开关断开，切断所述电流。
发明的效果
本发明所涉及的半导体开关控制装置基于正向开关的体二极管的正向电压来判定半导体开关模块的温度状态，从而能够准确判定半导体开关模块的温度状态。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的半导体开关控制装置的构成例的框图。
图2是示出实施方式1所涉及的FET的控制例的图。
图3是示出实施方式1所涉及的正向特性映射的图。
图4是示出实施方式1所涉及的半导体开关控制装置的动作例的时序图。
图5是示出实施方式1所涉及的半导体开关控制装置的动作例的流程图。
图6是示出实施方式2所涉及的半导体开关控制装置的主要部分的构成例的框图。
图7是示出实施方式2所涉及的半导体开关控制装置的动作例的时序图。
附图标记的说明
1、1A、1B：半导体开关控制装置
2：高电压负载(负载)
3：高电压电池(电源)
10A：正侧主继电器(半导体开关模块)
10B：负侧主继电器(半导体开关模块)
11：FET(反向开关)
12：FET(正向开关)
33：预充电回路
40：电流检测部
50：控制部
D1、D2：体二极管
I、Ia、Ib：电流、正向电流
Vt：电压阈值(阈值)
具体实施方式
参照附图来详细说明实施本发明的方式(实施方式)。
本发明不限于下面的实施方式所记载的内容。另外，以下所记载的构成要素包含本领域技术人员能够容易想到的要素、实质上相同的要素。
并且，能够将以下所记载的构成适当组合。另外，在不脱离本发明的要点的范围内可以省略、替换或者变更各种构成。
[实施方式1]
电动汽车、混合电动汽车等车辆电源系统100如图1所示，搭载有将直流转换为交流并将电力供给至驱动马达的逆变器21等高电压负载2；用于驱动该高电压负载2的电源即高电压电池3，以安全为目的设置有将在高电压电池3与高电压负载2之间流过的电流接通或者断开的半导体开关控制装置1(1A、1B)。
实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1A设置在高电压电池3的正电极侧，通过切换作为半导体开关模块的正侧主继电器10A，将从高电压电池3流向高电压负载2的电流接通或者断开。半导体开关控制装置1B设置在高电压电池3的负电极侧，通过切换作为半导体开关模块的负侧主继电器10B，将从高电压负载2流向高电压电池3的电流接通或者断开。由于半导体开关控制装置1A与半导体开关控制装置1B具有同样的构成，并且进行同样的控制，因此，详细的说明省略。下面，说明半导体开关控制装置1B。半导体开关控制装置1B包括负侧主继电器10B、差动放大电路20、驱动电路部30、电流检测部40、控制部50。
负侧主继电器10B设置在高电压电池3的负电极侧与高电压负载2之间，将从高电压负载2流向高电压电池3的负电极侧的电流接通或者断开。此外，在负侧主继电器10B的上游侧设置有正侧主继电器10A。正侧主继电器10A设置在高电压电池3的正电极侧与高电压负载2之间，将从高电压电池3的正电极侧流向高电压负载2的电流接通或者断开。
负侧主继电器10B包括FET(Field-effect transistor，场效应晶体管)11、FET12。FET11、12例如是N沟道型的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)FET。FET11是在从高电压负载2流向高电压电池3的负电极侧的电流I(以下，只要没有特别指出即相同。也称作正向电流I、Ia、Ib)流动的方向相反方向配置有体二极管(寄生二极管)D1的反向开关。体二极管D1的阳极端子与高电压电池3的负电极侧连接，阴极端子与高电压负载2侧连接。FET11由后述的驱动电路部30驱动，将从高电压负载2流向高电压电池3的负电极侧的电流I接通或者断开。FET12是与FET11同样的FET，是在电流I流动的方向即正向配置有体二极管D2的正向开关。体二极管D2的阴极端子与高电压电池3的负电极侧连接，阳极端子与高电压负载2侧连接。FET12由驱动电路部30驱动，基于体二极管D2的正向电压Vfa来计测体二极管D2的接合部位的温度即结点温度(以下也称作温度)。此处，体二极管D2的正向电压Vfa示出在正向电流I流过时的体二极管D2的电压降(电位差)。FET11与FET12相邻配置，源极端子彼此串联连接，FET12的漏极端子与高电压电池3连接，FET11的漏极端子与高电压负载2连接。
FET11与FET12例如在接近的状态下并列配置，以裸芯片的方式安装，或者通过树脂密封而安装，从而以模块化的状态搭载在基板。
差动放大电路20输出FET12的体二极管D2的正向电压Vfa。差动放大电路20与体二极管D2的阳极端子和阴极端子连接，将阳极端子侧与阴极端子侧的电位差放大并作为正向电压Vfa输出至控制部50。
驱动电路部30包括：驱动FET11的驱动电路31；驱动FET12的驱动电路32；对FET11进行预充电控制的预充电电路33。驱动电路31与FET11的栅极端子连接，作为对FET11的开关进行接通的控制，对FET11的栅极端子施加接通电压并使电流从漏极端子流向源极端子。另外，驱动电路31作为对FET11的开关进行断开的控制，对FET11的栅极端子施加断开电压，将从漏极端子流向源极端子的电流断开。驱动电路32与FET12的栅极端子连接，作为对FET12的开关进行接通的控制，对FET12的栅极端子施加接通电压并使电流从源极端子流向漏极端子。另外，驱动电路32作为对FET12的开关进行断开的控制，对FET12的栅极端子施加断开电压，将从源极端子流向漏极端子的电流断开。
预充电电路33在使具有高电压电池3和高电压负载2的高电压电路起动时，防止从高电压电池3流向高电压负载2的冲击电流。预充电电路33与FET11的栅极端子连接，对FET11的栅极端子施加预充电电压，并施加恒定的预充电电流。预充电电路33例如只在对高电压负载2的逆变器21的电容器CL进行充电期间，施加预充电电流。
电流检测部40检测在高电压电池3与高电压负载2之间流动的正向电流I。电流检测部40例如检测在负侧主继电器10B与高电压负载2之间流动的正向电流I，将检测的正向电流I的电流值输出至控制部50。
控制部50经由驱动电路部30控制负侧主继电器10B。控制部50包含以公知的微型计算机作为主体的电子电路而构成，所述微型计算机包含CPU、构成储存部的ROM、RAM和接口。控制部50具有诊断负侧主继电器10B的异常的异常诊断模式。控制部50以预定的周期执行异常诊断模式。控制部50在不是异常诊断模式的情况下，如图2所示，将FET11设定为接通并且将FET12设定为接通，使正向电流Ia通过FET11、12的源极端子与漏极端子之间，从高电压负载2向高电压电池3施加正向电流Ia。控制部50在是异常诊断模式的情况下，将FET11设定为接通并且将FET12设定为断开，使正向电流Ib通过FET11的源极端子与漏极端子之间，并且使正向电流Ib不通过FET12的源极端子与漏极端子之间而是通过FET12的体二极管D2，从高电压负载2向高电压电池3施加正向电流Ib。此时，控制部50根据基于体二极管D2的正向电压Vfa与正向电流Ib求出的体二极管D2的温度，判定FET11(负侧主继电器10B)的温度状态。另外，控制部50基于体二极管D2的正向电压Vfa，判定FET12的故障。
具体而言，控制部50包括温度计算部51、过热检测部52、FET故障检测部53。温度计算部51计算FET12的体二极管D2的温度。温度计算部51基于FET12的正向电压Vfa与正向电流Ib，计算体二极管D2的温度。例如，温度计算部51如图3所示，将示出体二极管D2的正向特性的正向特性映射(K因子)储存在储存部。正向特性映射示出正向电压Vfa与正向电流Ib与温度的关系。正向特性映射的纵轴示出正向电流Ib，横轴示出正向电压Vfa，在由正向电流Ib与正向电压Vfa决定的范围示出温度。正向特性映射根据体二极管D2的正向电压Vfa与正向电流Ib，决定体二极管D2的温度。例如，正向特性映射在某个正向电流Ib的电流值中示出的倾向是：正向电压Vfa越低，体二极管D2的温度越高。温度计算部51参照正向特性映射，根据正向电压Vfa与正向电流Ib来计算体二极管D2的温度，将计算结果输出至过热检测部52。此外，在本实施方式1中，温度计算部51使用正向特性映射来计算体二极管D2的温度，但不限于此。
过热检测部52检测FET12(负侧主继电器10B)的温度状态。过热检测部52对体二极管D2的温度与体二极管D2的温度阈值进行比较。此处，体二极管D2的温度阈值是用于判定FET12是否是过热状态的值，基于实验等而预先设定。过热检测部52在体二极管D2的温度超过温度阈值的情况下，判定为FET12是过热状态。另外，过热检测部52在体二极管D2的温度为温度阈值以下的情况下，判定为FET12是适当温度状态。控制部50在FET12是过热状态的情况下，能够判定(推定)为与该FET12相邻配置的FET11也是过热状态。这是因为FET11与FET12使用同样的FET，在相邻的状态下被模块化。控制部50在判定为FET11是过热状态的情况下，控制驱动电路31并将FET11设定为断开，将从FET11的漏极端子流向源极端子的电流断开。另一方面，控制部50在FET12是适当温度状态的情况下，能够判定(推定)为FET11也是适当温度状态。控制部50在判定为FET11是适当温度状态的情况下，继续FET11的接通。
FET故障检测部53检测负侧主继电器10B的故障。FET故障检测部53对体二极管D2的正向电压Vfa与作为该正向电压Vfa的基准的基准电压Vfb进行比较，在体二极管D2的正向电压Vfa为基准电压Vfb的范围外的情况下，判定为FET12故障。此处，基准电压Vfb是正常的体二极管D2的正向电压Vfa变化的范围。控制部50在FET12故障的情况下，控制驱动电路31并将FET11设定为断开。另一方面，FET故障检测部53在体二极管D2的正向电压Vfa在基准电压Vfb的范围内的情况下，判定为FET12没有故障。控制部50在FET12没有故障的情况下，判定FET11的温度状态。
接下来，参照图4、图5，说明半导体开关控制装置1B的动作例。
控制部50在图4所示的时刻t1将正侧主继电器10A设定为接通(步骤S1)。接下来，控制部50在时刻t2将负侧主继电器10B的FET11和FET12设定为接通(步骤S2)。接下来，控制部50在异常诊断模式的开始时刻t3将FET12设定为断开(步骤S3)。接下来，控制部50判定体二极管D2的正向电压Vfa是否在基准电压Vfb的范围内(步骤S4)。控制部50在体二极管D2的正向电压Vfa在基准电压Vfb的范围内的情况下(步骤S4；是)，计算体二极管D2的结点温度(步骤S5)。例如，控制部50参照正向特性映射，根据体二极管D2的正向电压Vfa和正向电流Ib计算体二极管D2的温度。接下来，控制部50判定体二极管D2的结点温度是否超过温度阈值(步骤S6)。控制部50在体二极管D2的结点温度超过温度阈值的情况下(步骤S6；是)，判定为FET11是过热状态(步骤S7)。即，控制部50在体二极管D2的结点温度超过温度阈值的情况下，判定为FET12是过热状态，判定(推定)为与FET12相邻配置的FET11也是过热状态。接下来，控制部50将FET11设定为断开，将从高电压负载2流向高电压电池3的负电极侧的电流I断开(步骤S8)，结束处理。此时，控制部50利用未图示的车辆内警报灯等告知单元，向车辆的驾驶者告知。
另外，控制部50在上述步骤S4中体二极管D2的正向电压Vfa是基准电压Vfb的范围外的情况下(步骤S4；否)，判定为FET12故障(步骤S9)，并将FET11设定为断开，切断从高电压负载2流向高电压电池3的负电极侧的电流I(步骤S8)，结束处理。另外，控制部50在上述步骤S6中体二极管D2的结点温度为温度阈值以下的情况下(步骤S6；否)，判定为FET11是适当温度状态(步骤S10)，在时刻t4将FET12从断开切换为接通(步骤S11)，以预定的周期再次执行异常诊断模式(步骤S3)。
如上所述，在实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1(1A、1B)中，FET11与FET12相邻配置，源极端子彼此串联连接，FET12的漏极端子与高电压电池3连接，FET11的漏极端子与高电压负载2连接。而且，控制部50基于FET12的体二极管D2的正向电压Vfa判定FET11(负侧主继电器10B)的温度状态。
由此，半导体开关控制装置1与利用以往的热敏电阻等来计测半导体开关的周围温度的情况相比，能够基于体二极管D2的结点温度准确判定FET11的温度状态。以往由于利用热敏电阻等来计测半导体开关的周围温度，因此，基于半导体开关的封装件的热电阻的值来进行热设计，但该情况下需要取得充分的余量，给充分发挥半导体开关的性能造成阻碍。与之相对，半导体开关控制装置1由于能够基于FET12的体二极管D2的温度来判定FET11的结点温度，因此，在FET11的热设计中不需要将余量取得大，能够充分发挥FET11的性能。另外，FET11与FET12在相邻的状态下配置，但FET11与FET12的距离越近，越能够高精度地判定FET11的结点温度。
另外，半导体开关控制装置1根据基于FET12的体二极管D2的正向电压Vfa、流到FET12的正向电流Ib而求出的体二极管D2的温度，判定FET11的温度状态。由此，半导体开关控制装置1能够基于体二极管D2的结点温度来判定FET11的温度状态，该结点温度是基于体二极管D2的正向电压Vfa和正向电流Ib计算的。
另外，半导体开关控制装置1在FET12的体二极管D2的正向电压Vfa为作为该正向电压Vfa的基准的基准电压Vfb的范围外的情况下，判定为FET12故障，将FET11设定为断开。由此，能够防止半导体开关控制装置1在由于FET12的故障体而不能计测二极管D2的温度的状态下判定FET11的过热状态这样的问题。
此外，半导体开关控制装置1是基于正向电压Vfa来判定FET11的温度状态的，但也可以作为包含FET11的负侧主继电器10B来判定温度状态。
[实施方式2]
接下来，说明实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1C。此外，实施方式2的半导体开关控制装置1C在与实施方式1的半导体开关控制装置1同样的构成标注相同的附图标记，省略详细的说明。半导体开关控制装置1C与实施方式1的不同点在于，在利用预充电电路33进行预充电控制的情况下，不使用正向电流Ib，而是根据FET12的体二极管D2的正向电压Vfa来判定体二极管D2的温度。半导体开关控制装置1C包括比较器54，代替温度计算部51和过热检测部52。比较器54如图6所示，对从差动放大电路20输出的体二极管D2的正向电压Vfa、与用于判定体二极管D2的温度的电压阈值Vt进行比较，并输出比较结果。此处，电压阈值Vt例如基于预充电电流的大小而预先设定。比较器54对体二极管D2的正向电压Vfa与体二极管D2的电压阈值Vt进行比较，在体二极管D2的正向电压Vfa低于电压阈值Vt的情况下，由于体二极管D2的温度相对高，因此，将示出FET12是过热状态的过热切断信号输出到控制部50。若从比较器54输出过热切断信号，则控制部50判定为FET11是过热状态，将FET11设定为断开。另一方面，比较器54在体二极管D2的正向电压Vfa高于电压阈值Vt的情况下，由于体二极管D2的温度相对低，因此，不将过热切断信号输出至控制部50。这样，实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1C在进行预充电控制的情况下，不使用正向电流Ib，而是根据FET12的体二极管D2的正向电压Vfa来判定体二极管D2的温度。此外，控制部50在进行预充电控制的情况下，如图7所示，在将FET12设定为断开的状态下，在时刻t10对FET11施加预充电电压，从而施加恒流即正向电流Ib。
如上所述，实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1C在利用预充电电路33进行预充电控制的情况下，根据FET12的体二极管D2的正向电压Vfa、用于判定FET12的体二极管D2的温度的电压阈值Vt，判定FET11(负侧主继电器10B)的温度状态。由此，半导体开关控制装置1C在进行预充电控制的情况下，由于能够不使用正向电流Ib，而是基于体二极管D2的正向电压Vfa来判定体二极管D2的温度，因此，不需要使用正向电流Ib与正向电压Vfa来算出体二极管D2的温度。由此，半导体开关控制装置1C由于计算量比实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1(1A、1B)少，因此，能够容易判定体二极管D2的温度。此外，半导体开关控制装置1C基于正向电压Vfa和电压阈值Vt来判定FET11的温度状态，但也可以作为包含FET11的负侧主继电器10B的温度状态进行判定。
[变形例]
接下来，说明变形例。说明了半导体开关控制装置1判定负侧主继电器10B的温度状态的例子，但构成也可以是判定正侧主继电器10A的温度状态。
另外，说明了FET11与FET12的源极端子彼此串联连接的例子，但不限于此。例如，FET11与FET12也可以是漏极端子彼此串联连接。在该情况下，FET11与FET12的FET11的源极端子与高电压电池3连接，FET12的源极端子与高电压负载2连接。
另外，说明了将高电压电池3放电的例子，但本发明也可以适用于利用高电压负载2将高电压电池3充电的情况。在将高电压电池3充电的情况下，正向电流Ib的方向成为与将高电压电池3放电的情况相反的方向。
在该情况下，正向电流Ib从高电压电池3的负侧流向高电压负载2。FET11在将高电压电池3充电的情况下，在正向电流Ib流动的方向即正向配置体二极管D1，作为用于检测温度的正向开关发挥功能。FET12在将高电压电池3充电的情况下，在与正向电流Ib流动的方向相反的方向配置体二极管D2，作为用于接通或者断开电流的反向开关发挥功能。控制部50通过检测FET11的体二极管D1的正向电压Vfa从而计测体二极管D1的温度，基于计测的体二极管D1的温度来判定FET12的温度状态。
另外，FET故障检测部53由于是判定FET12的故障而使用的，因此，在判定FET11的温度状态方面可以不是必须的构成要素。
另外，半导体开关控制装置1可以适用于具有高电压电池3和高电压负载2的高电压电路以外。例如，半导体开关控制装置1可以适用于DC-DC转换器电路，判定DC-DC转换器电路的开关元件的温度状态。

Claims (4)

1.一种半导体开关控制装置，其特征在于，包括：
半导体开关模块，设置在电源和负载之间，将在所述电源与所述负载之间流动的电流接通或者断开；
控制部，控制所述半导体开关模块，
所述半导体开关模块具有：
正向开关，在所述电流流动的方向即正向配置有体二极管；
反向开关，与所述正向开关相邻配置，在与所述电流流动的方向相反方向配置有体二极管，
所述正向开关与所述反向开关的源极端子彼此串联连接，一者的漏极端子与所述电源连接，另一者的漏极端子与所述负载连接；或者
所述正向开关与所述反向开关的漏极端子彼此串联连接，一者的源极端子与所述电源连接，另一者的源极端子与所述负载连接，
所述控制部基于所述正向开关的所述体二极管的正向电压，判定所述半导体开关模块的温度状态。
2.如权利要求1所述的半导体开关控制装置，
所述控制部根据所述正向开关的所述体二极管的温度，判定所述半导体开关模块的温度状态，
所述正向开关的所述体二极管的温度是基于所述正向开关的所述体二极管的正向电压、在所述正向开关流动的电流而求出的。
3.如权利要求1所述的半导体开关控制装置，
包括预充电电路，控制所述反向开关并施加恒定的预充电电流，
所述控制部在利用所述预充电电路进行预充电控制的情况下，根据所述正向开关的所述体二极管的正向电压、用于判定所述正向开关的所述体二极管的温度的阈值，判定所述半导体开关模块的温度状态。
4.如权利要求1～3的任一项所述的半导体开关控制装置，
所述控制部在判定所述半导体开关模块的温度状态前，在所述正向开关的所述体二极管的正向电压在作为该正向电压的基准的基准电压的范围外的情况下，判定为所述正向开关故障，并将所述反向开关断开，切断所述电流。
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