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JP2005252090A - Semiconductor element temperature detection method and power conversion device - Google Patents

Semiconductor element temperature detection method and power conversion device Download PDF

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JP2005252090A
JP2005252090A JP2004062568A JP2004062568A JP2005252090A JP 2005252090 A JP2005252090 A JP 2005252090A JP 2004062568 A JP2004062568 A JP 2004062568A JP 2004062568 A JP2004062568 A JP 2004062568A JP 2005252090 A JP2005252090 A JP 2005252090A
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JP
Japan
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semiconductor element
power semiconductor
temperature detection
temperature
power
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Application number
JP2004062568A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoya Kamezawa
友哉 亀澤
Naoki Takada
直樹 高田
Masayuki Hirota
雅之 広田
Masahiro Hiraga
正宏 平賀
Satoshi Ibori
敏 井堀
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Hitachi KE Systems Ltd
Original Assignee
Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Hitachi KE Systems Ltd
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Priority to CN200810074120.0A priority patent/CN101231196B/en
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Abstract

【課題】 小型で低価格の半導体素子の温度検出方法と、小型で低価格の電力変換装置を提供すること。
【解決手段】 パワー半導体素子を熱保護するめの温度検出を、パワー半導体素子がパッケージされた部品８の近傍で、且つ、当該パワー半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の何れか一方の近傍に配置した温度検出素子２２で行うようにしたもの。
温度検出素子２２を回路基板１３に取付けることができるので、パワー半導体素子が配置された冷却フィン１５から温度検出素子２２の電気的な絶縁をとる必要が無く、リード線や、このリード線の配線のための工数が不要にあので、電力変換装置におけるパワー半導体素子の保護を、安価に実現する事が出来る。また電力変換装置の小型化と、組立時間の短縮も実現することが出来る。
【選択図】 図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and low-cost semiconductor element temperature detection method and a small-sized and low-cost power converter.
Temperature detection for thermal protection of a power semiconductor element is arranged in the vicinity of a component 8 in which the power semiconductor element is packaged and in the vicinity of one of an emitter terminal and a collector terminal of the power semiconductor element. The temperature detection element 22 is used.
Since the temperature detecting element 22 can be attached to the circuit board 13, there is no need to electrically insulate the temperature detecting element 22 from the cooling fin 15 on which the power semiconductor element is arranged, and the lead wire and the wiring of the lead wire are not required. Therefore, the protection of the power semiconductor element in the power conversion device can be realized at a low cost. In addition, the power converter can be downsized and the assembly time can be shortened.
[Selection] Figure 1

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。   The present invention relates to a temperature detection technique for a semiconductor element, and more particularly to a temperature detection technique necessary for protecting a semiconductor element used in a power conversion device.

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。   In general, a semiconductor element has a switching loss. For this reason, a power semiconductor element (power semiconductor element) used in a power conversion device such as an inverter does not generate a considerable amount of heat. Therefore, an excessive current flows. If the cooling capacity cannot keep up, the temperature rises due to heat generation, and if it is left as it is, the allowable temperature may be exceeded and it may be destroyed by heat.

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。   Therefore, in order to prevent the semiconductor element from being destroyed by overheating in the power conversion device, it is usual to provide a thermal protection function, but for this purpose, it is necessary to detect the temperature of the semiconductor element. is there.

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。   Here, FIG. 5 shows a general configuration of an inverter device that is a typical example of a power conversion device. In this case, the entire device includes a forward conversion unit 100 and a smoothing unit 200 called a converter. Each block of an inverse conversion unit 300, a control unit 400, and an operation unit 500 called an inverter is provided as a main part.

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。   Then, the three-phase AC power supplied from the power source 600 such as a commercial power source is converted into DC power by the forward conversion unit 100 including, for example, a three-phase bridge diode circuit, and smoothed by the smoothing unit 200 including, for example, an electrolytic capacitor. The inverse conversion unit 300 converts the three-phase AC power U, V, and W having a desired frequency into a load 700 such as an induction motor IM.

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。   Next, FIG. 6 is a detailed view of the inverse conversion unit 300 when, for example, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) is used as the power semiconductor element. 5, 6) are power semiconductor elements made of IGBT, and as shown in the figure, these are composed of an IGBT and a diode (flywheel diode) connected in reverse parallel thereto.

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。   At this time, in the inverse conversion unit 300, the DC + terminal P side is called the upper arm and the − terminal N side is called the lower arm. Here, the power semiconductor elements 4 to 6 of each arm are supplied from the control unit 400. By switching the gate drive signal, the upper arm and the lower arm are alternately switched and an inverse conversion operation is obtained.

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。   At this time, the current flowing in from the + terminal P flows from the collector of each power semiconductor element 1 to 3 of the upper arm through the emitter to the load 700 (in the case of the NPN type), and in the lower arm, each power semiconductor element 4 to 6 through the emitter and from the load 700 to the DC terminal N.

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。   Due to this current flow, in each of the power semiconductor elements 1 to 6, heat is generated mainly at the junction (junction) between the collector and the emitter. Therefore, for example, the power semiconductor element is overloaded. If the current flowing between the collector and the emitter of 1 to 6 becomes excessive, the temperature of the power semiconductor element rises, and if the limit is exceeded, the element is destroyed, and in some cases, the power converter itself is destroyed. A fear arises.

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。   Therefore, as described above, the control unit 400 detects the temperature of the power semiconductor element, and when the detected temperature reaches a predetermined temperature, for example, 80 ° C., the power semiconductor element is turned off ( OFF) to stop the heat generation of the power semiconductor element and suppress the temperature rise, thereby providing protection of the power semiconductor element and protection of the power conversion device.

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。)。   At this time, the prior art discloses a method of providing a temperature detection element in the cooling fin in which the power semiconductor element is arranged, and detecting the temperature of the cooling fin to obtain a detected value of the temperature of the semiconductor element (for example, (See Patent Document 1).

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。   Here, FIG. 7 shows an example of the arrangement of the power semiconductor elements in the prior art, where the components 7 to 12 (7, 8, 9, 10, 11, 12) are the power semiconductor elements 1 to 6 (FIG. 6). As shown in the figure, these are mounted on the element mounting surface of the cooling fin 15 in a desired arrangement form, and connections to the components 7 to 12 are circuits formed on the circuit board 13. The inverse transformation unit 300 is configured by the pattern.

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。   In FIG. 7, the circuit board 13 is shown separated from the cooling fins 15, but actually, the circuit board 13 is placed on the components 7 to 12 and the element mounting surface of the cooling fins 15 is mounted. The circuit board 13 is attached to the cooling fin 15 so as to cover.

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。   In the prior art of FIG. 7, as shown in the drawing, on the element mounting surface of the cooling fin 15, in the vicinity of the parts 7 to 12 formed of the packages of the power semiconductor elements 1 to 6, the temperature detection elements 16 to 21 are respectively provided. The lead wires 16a to 21a are drawn out from each of them and connected to the circuit board 13.

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。   At this time, as a desired arrangement form on the element mounting surface of the cooling fin 15 described above, the upper power semiconductor elements 1 and 2 are arranged in accordance with the arrangement state of the power semiconductor elements 1 to 6 in the circuit configuration of FIG. In general, the three parts 7, 8, 9 are arranged side by side, and the parts 10, 11, 12 of the power semiconductor elements 4, 5, 6 of the lower arm are arranged side by side on the lower side.

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。   At this time, when the power conversion device is put into use, the cooling fin 15 is generally assembled to the main body of the power conversion device so that its element mounting surface is substantially vertical. It is.

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 On the other hand, in another conventional technique, in a power conversion device using a module in which a semiconductor element is encapsulated, a method is disclosed in which a temperature detection element is also encapsulated in the module, thereby detecting the temperature (for example, , See Patent Document 1).
JP 2002-101668 A JP-A-11-142254

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。   The above prior art does not give consideration to the arrangement of the temperature detection elements, and has a problem in reducing the size and cost of the power conversion device having a thermal protection function.

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。   As described above, in the prior art described in FIG. 7, the temperature detection element is arranged on the cooling fin near the package of the power semiconductor element. In this case, only the temperature detection element is arranged on the cooling fin. Is required for the cooling fin.

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。   In addition, at this time, it is necessary to connect a lead wire for taking out the detection result by the temperature detection element, or to electrically insulate the temperature detection element from the cooling fin. It will be difficult to reduce the price.

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。   In addition, in the other prior art described above, as a result of enclosing the temperature detection element inside, the module is increased in size, and an extra terminal is required for the module. Therefore, downsizing and cost reduction become difficult.

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。   An object of the present invention is to provide a temperature detection method and a power conversion device for a semiconductor element suitable for downsizing and cost reduction.

上記目的は、電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことにより達成される。   The above-described object is achieved by performing temperature detection of a semiconductor element used for an inverse conversion unit of a power conversion device with a temperature detection element arranged in the vicinity of a terminal with respect to a junction of the semiconductor element.

このとき、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であるようにしても上記目的が達成され、同じく、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることによっても上記目的が達成される。   At this time, even if the terminal is one of the emitter terminal and the collector terminal of the semiconductor element, the above object is achieved. Similarly, the number of the semiconductor elements is plural, and the plurality of temperature detecting elements are plural. Of these semiconductor elements, the above object is also achieved by being arranged at one of the emitter terminal and the collector terminal of the semiconductor element that increases in temperature.

また、上記目的は、逆変換部に用いる半導体素子の温度を検出する電力変換装置において、前記半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことによっても達成される。   In addition, in the power conversion device for detecting the temperature of the semiconductor element used for the reverse conversion unit, the object is to detect the temperature of the semiconductor element with a temperature detection element arranged in the vicinity of the terminal with respect to the junction of the semiconductor element. Is also achieved.

このとき、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であるようにしても上記目的が達成され、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることによっても達成され、更には、前記温度検出素子が前記半導体素子の接続に使用される回路基板上に配置されていることによっても上記目的が達成される。   At this time, even if the terminal is one of the emitter terminal and the collector terminal of the semiconductor element, the above object is achieved, and the number of the semiconductor elements is plural, and the temperature detecting element is composed of the plural semiconductors. It is also achieved by being arranged at one of an emitter terminal and a collector terminal of a semiconductor element in which the temperature rise is large among the elements, and further, on the circuit board used for connecting the temperature detection element to the semiconductor element The above-mentioned object is achieved also by being arranged in.

なお、上記にて、温度検出素子の配置は、複数個の半導体素子が有る場合に、その中で温度上昇が最も大きな半導体素子の近傍に必ずしも配置しなければならないものでもない。   In the above description, when there are a plurality of semiconductor elements, the temperature detection element is not necessarily arranged in the vicinity of the semiconductor element having the largest temperature rise.

しかしながら、温度上昇が最も大きな半導体素子、若しくは、複数の中で、比較的、温度上昇の大きな半導体素子の近傍に温度検出素子を配置することで、熱保護機能について、より好ましい効果を取得可能となる。   However, it is possible to obtain a more favorable effect on the thermal protection function by arranging the temperature detection element in the vicinity of the semiconductor element having the largest temperature rise or the semiconductor element having a relatively large temperature rise among the plurality of semiconductor elements. Become.

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。   According to the above means, the temperature detecting element for detecting the temperature for preventing the destruction of the semiconductor element is disposed, for example, near the emitter terminal or the collector terminal of the power semiconductor element. At this time, since the temperature detecting element can be directly arranged on the circuit board on which the power semiconductor element is mounted, it is not necessary to electrically insulate from the cooling fin on which the power semiconductor element is arranged, and the man-hour for wiring is also reduced. Is possible.

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。   According to the present invention, since the temperature detection element is attached to the circuit board, the area of the cooling fin and the temperature of the power semiconductor element are detected by being electrically insulated from the cooling fin, and the detection result is transmitted to another board. This eliminates the need for parts and wiring man-hours.

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。   Therefore, according to the present invention, the provision of the thermal protection function to the semiconductor element can be realized at low cost, and the power conversion device can be downsized and the assembly time can be shortened.

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。   Hereinafter, a semiconductor device temperature detection method and a power conversion device having a temperature detection function according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.

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に配置られ、これに回路基板１３が取付けられているものてあり、る。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 22 denotes a temperature detection element, and other components are the same as those of the prior art described with reference to FIG. 7 to 12 are arranged on the cooling fin 15, and the circuit board 13 is attached to the cooling fin 15.

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。   At this time, a thermistor (registered trademark) is used as the temperature detection element 22 as an example, but this is not particularly described, but is the same as the case of the prior art. In this case, the circuit configuration of the inverse conversion unit 300 is the same as that of the prior art shown in FIG.

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。   However, in the embodiment of FIG. 1, as shown in FIG. 2, the temperature detecting element 22 is attached to the circuit board 13 instead of the cooling fin 15, and thus is attached to the cooling fin 15 at this point. This is different from the prior art. Here, FIG. 2 shows a state in which the circuit board 13 is separated from the cooling fins 15 as in FIG. 7 used in the description of the prior art.

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。   Moreover, in this embodiment, the temperature detection element is only the temperature detection element 22, that is, only one temperature detection element. Therefore, in this respect, a total of six temperature detection elements are provided for each of the power semiconductor elements 1 to 6. Is different.

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。   Here, as shown in FIG. 1, this one temperature detecting element 22 is packaged in the component 8 in the upper middle in the figure when the circuit board 13 is combined with the cooling fin 15. The circuit pattern of the circuit board 13 is formed in the vicinity of the collector terminal or emitter terminal of the power semiconductor element 2 (see FIG. 6) and in the vicinity of the circuit pattern to which these terminals are connected. It is attached to the surface that is on.

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。   Therefore, the control unit 400 detects the temperature of the temperature result element 22 based on the signal acquired from the temperature detection element 22, and the detected temperature is set to a predetermined determination temperature, for example, a determination temperature of 80 ° C. When the power reaches, the gates of all the power semiconductor elements 1 to 6 are turned off to cut off the energization between the collector and the emitter of each body element.

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。   As a result, since the heat generation of each of the power semiconductor elements 1 to 6 is stopped, thereafter, the temperature rise of the power semiconductor elements 1 to 6 is suppressed, and thereby the thermal protection of the power semiconductor elements and the entire power conversion device can be obtained. Here, next, according to this embodiment, all the power semiconductor elements 1 can be obtained without attaching the temperature detecting element 22 to the cooling fin 15 and by using only one temperature detecting element 22. The reason why the thermal protection of the entire power converter is obtained will be described.

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。   First, when a power semiconductor device is packaged, its collector and emitter terminals have a considerable cross-sectional area depending on the magnitude of the current value of the device, and therefore the heat conduction thereby is also quite large. Heat generated at the junction (junction) is efficiently transferred out of the package by the terminals.

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。   The heat efficiently led to the outside by the terminal in this way is transmitted to the circuit pattern because it is connected to the circuit pattern of the circuit board 13, and the temperature of the circuit board 13 is locally determined. Will be raised.

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は、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。   Therefore, even if the temperature detecting element 22 is attached to the circuit board 13, it is disposed in the vicinity of the collector terminal or emitter terminal of the power semiconductor element 2 (see FIG. 6) and the circuit pattern to which these terminals are connected. If it is located in the vicinity, temperature detection equivalent to the case where the temperature detection element 22 is attached to the cooling fin 15 can be obtained.

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。   Next, in this embodiment, the cooling fin 15 is assembled to the main body of the power conversion device such that when the power conversion device is put into use, its element mounting surface is substantially vertical.

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。   Then, as in this embodiment, the upper arm power semiconductor elements 1, 2, and 3 are arranged side by side on the upper side, and the lower arm power semiconductor elements 4, 5, 6 are arranged on the lower side. When the parts 10, 11 and 12 are arranged side by side on the element mounting surface of the cooling fin 15, the temperature of the cooling fin 15 due to heat generated by each element becomes higher toward the upper side as shown by the arrow A. .

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。   At this time, since each of the power semiconductor elements 1 to 6 generates heat in the same manner, the heat concentrates in the center of the cooling fin 15 and the temperature rises so that the power on the upper side of the center of the cooling fin 15 increases. The temperature of the semiconductor element 2, that is, the component 8 is the highest.

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。   In this embodiment, since the temperature detection element 22 is disposed in the vicinity of the power semiconductor element 2, that is, the component 8, the temperature detection element 22 has a temperature of one of the six power semiconductor elements 1 to 6. This means that the temperature of the power semiconductor element 2 that is the highest is detected.

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。   Here, in order to protect the heat, the protection function is activated when the temperature of the element having the highest temperature among the plurality of power semiconductor elements attached to the same cooling fin reaches the temperature requiring the heat protection. It goes without saying that this is what you should do.

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。   Therefore, according to this embodiment, the temperature detection elements 22 are not attached to the cooling fins 15, and the heat of all the power semiconductor elements 1 to 6 and the entire power conversion device can be obtained with only one temperature detection element 22. Protection is gained.

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。   As a result, according to this embodiment, it is not necessary to arrange as many as six temperature detection elements 16 to 21 on the cooling fin 15 as in the prior art described in FIG. The number of steps required for installation and the number of steps required for wiring of the temperature detection element can be reduced, and parts such as electric wires necessary for the wiring can also be deleted.

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。   Next, the arrangement of the temperature detection element 22 in this embodiment will be described more specifically. As described above, the power semiconductor element 2 that is most affected by the temperature rise of other power semiconductor elements is packaged as described above. The circuit board 13 is arranged so as to be in the vicinity of the component 8 formed.

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。   Here, in this embodiment, the reason why the temperature detecting element 22 is provided in the vicinity of the power semiconductor element to be temperature detected is because it is desired to detect the temperature of the junction of the element. However, it is desirable that the vicinity of the collector terminal or the emitter terminal if possible.

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。   Here, FIG. 3 is an example in the case where the temperature detection element 22 is disposed in the vicinity of the emitter terminal 27 of the power semiconductor elements 1 to 6 (components 7 to 12). Next, FIG. 4 illustrates the temperature detection element. This is an example in which 22 is arranged in the vicinity of the collector terminal 28 of the power semiconductor elements 1 to 6 (components 7 to 12).

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。   On the other hand, the temperature detection element 22 receives the detection signal in the control unit 400, and is used for the thermal protection operation as described above. At this time, the control unit 400 is connected to the inverse conversion unit 300. Since the same potential is used as a reference, the detection result by the temperature detection element 22 also needs to be input to the control unit 400 as a signal based on the same potential as the control unit 400.

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１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。   At this time, since the inverse conversion unit 300 is controlled by the switching signal supplied from the control unit 400, the reference potential in the inverse conversion unit 300 and the control unit 400 is equal to the potential of the DC-terminal N in FIG. Therefore, in this case, the potential of the emitter terminals of the power semiconductor element 4, the power semiconductor element 5, and the power semiconductor element 6 is obtained.

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。   Therefore, as shown in FIG. 3, the temperature detecting element 22 is disposed in the vicinity of the emitter terminal 27, and in this case, the power semiconductor element is the power semiconductor element 4 or the power semiconductor element 5 in FIG. If it is one of the power semiconductor elements 6, the potential of the emitter terminal 27 becomes the same as the reference potential of the control unit 400. Therefore, the detection result by the temperature detection element 22 is directly transmitted to the control unit 400. Can be entered.

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。   On the other hand, if the power semiconductor element shown in FIG. 3 is any one of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, or the power semiconductor element 3 in FIG. 1, the potential of the emitter terminal 27 is 3 The same change as the potential of any one of the U, V, and W phases of the phase AC output is shown. In this case, the voltage becomes higher than the potential that is the reference in the control unit 400.

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。   Therefore, in this case, it is necessary to take an insulation distance defined in the specification standard required for the power conversion device between the temperature detection element 22 and the emitter terminal 27. In this case, the temperature detection element 22 has a power It becomes difficult to arrange in the vicinity of the emitter terminal 27 of the semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, and the power semiconductor element 3.

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。   Therefore, in this case, the temperature detection element 22 is disposed in the vicinity of the emitter terminal 27 of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, or the power semiconductor element 3 so that the temperature can be detected more accurately. The detection output of the detection element 22 needs to be input to the control unit 400 in an electrically isolated state using an element such as a photocoupler.

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。   In addition, in this case, since the potential of the emitter terminal 27 of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, and the power semiconductor element 3 fluctuates drastically during operation of the power converter, the output of the temperature detecting element 22 is noise-induced. Attention should also be paid to being susceptible.

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。   Next, as shown in FIG. 4, when the temperature detection element 22 is arranged in the vicinity of the collector terminal 28, the potential of the collector terminal 27 of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, and the power semiconductor element 3 in FIG. Becomes the same high voltage as the DC + terminal P.

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。   Therefore, when the temperature detection element 22 is arranged in the vicinity of the collector terminal 28 of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, and the power semiconductor element 3 as described above, power conversion is performed between the temperature detection element 22 and the collector terminal 28. It is necessary to take the insulation distance defined in the specification standard that the device needs to acquire.

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。   When the insulation distance is taken in this way, it is difficult to arrange the temperature detecting element 22 in the vicinity of the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 2, and the collector terminal 28 of the power semiconductor element 3.

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。   Therefore, in this case as well, the temperature detection element 22 is arranged in the vicinity of the collector terminal 28 of the power semiconductor element 1 or the power semiconductor element 2 or the power semiconductor element 3 so that the temperature can be detected more accurately. The detection output of the detection element 22 needs to be input to the control unit 400 in an electrically isolated state using an element such as a photocoupler.

また、この図４に示されたパワー半導体素子が、図１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。   Further, if the power semiconductor element shown in FIG. 4 is any one of the power semiconductor element 4, the power semiconductor element 5 and the power semiconductor element 6 in FIG. 1, these collector terminals 28 have a three-phase AC output. This shows the same change as the potential of any of U, V, and W. In this case, the voltage becomes higher than the reference potential in the control unit 400.

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。   Therefore, in this case, it is necessary to take an insulation distance defined in the specification standard required for the power conversion device between the temperature detection element 22 and the collector terminal 28. In this case, the temperature detection element 22 It becomes difficult to arrange in the vicinity of the collector terminal 28 of the semiconductor element 4, the power semiconductor element 5, and the power semiconductor element 6.

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。   Therefore, in this case, the temperature detection element 22 is disposed in the vicinity of the collector terminal 28 of the power semiconductor element 4 or the power semiconductor element 5 or the power semiconductor element 6 so that the temperature can be detected more accurately. The detection output of the detection element 22 needs to be input to the control unit 400 in an electrically isolated state using an element such as a photocoupler.

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。   In addition, in this case, since the potential of the collector terminal 28 of the power semiconductor element 4, the power semiconductor element 5, and the power semiconductor element 6 fluctuates drastically during the operation of the power converter, the output of the temperature detecting element 22 is noise-induced. Attention should also be paid to being susceptible.

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。   Therefore, as an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the temperature detecting element 22 is arranged in the vicinity of the emitter terminal 27 of the power semiconductor elements 1 to 6, and then the temperature detecting element 22 is connected to the emitter terminal 27. It is preferable that the power semiconductor element arranged in the vicinity of is the power semiconductor element 2 shown in FIG.

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。   In the above embodiment, a power semiconductor element having a collector terminal and an emitter terminal is used. However, even a semiconductor element having another terminal name is close to the junction of the power semiconductor element. The advantage of the present invention in which the temperature of the power semiconductor element can be detected by arranging the temperature detection element in the vicinity of the terminal remains unchanged.

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。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the temperature detection element was one, multiple pieces may be arrange | positioned separately in the vicinity of each of the power semiconductor element.

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。   Furthermore, in the above-described embodiment, the power conversion device that can supply AC power of variable voltage variable frequency to the AC motor is described. However, AC power of variable voltage variable frequency can be supplied to the AC motor. Even if it is not a power conversion device, as long as it is a power conversion circuit using a power semiconductor element, the advantage of temperature detection of the power semiconductor element according to the present invention does not change.

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。It is a block diagram which shows one Embodiment of the power converter device provided with the temperature detection method and temperature detection function of the semiconductor element by this invention. 本発明の一実施形態を示す分解図である。It is an exploded view showing one embodiment of the present invention. 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。It is explanatory drawing which shows the example of arrangement | positioning of the temperature detection element with respect to the power semiconductor element in one Embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the other example of arrangement | positioning of the temperature detection element with respect to the power semiconductor element in one Embodiment of this invention. 電力変換装置の一例を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows an example of a power converter device. 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。It is a circuit diagram which shows an example of the reverse conversion part in a power converter device. 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。It is a block diagram which shows an example of the power converter device by a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

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)) 1 to 6: Power semiconductor elements 7 to 12: Parts (parts in which power semiconductor elements 1 to 6 are packaged)
13: Circuit board of power conversion device (circuit board on which control unit 400 and the like are mounted)
22: Temperature detection element (temperature detection element arranged on the circuit pattern surface of the circuit board 13)
27: Emitter terminal of the power semiconductor element 28: Collector terminal of the power semiconductor element 100: Forward conversion unit (converter)
200: Smoothing part (capacitor)
300: Inverse converter (inverter)
400: Control unit 500: Operation unit 600: Power supply (commercial power supply)
700: Load (IM (induction motor))

Claims (7)

電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことを特徴とする半導体素子の温度検出方法。   A temperature detection method for a semiconductor element, characterized in that temperature detection of a semiconductor element used in an inverse conversion unit of a power conversion device is performed by a temperature detection element arranged in the vicinity of a terminal with respect to a junction of the semiconductor element. 請求項１に記載の半導体素子の温度検出方法において、
前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。 The temperature detection method for a semiconductor device according to claim 1,
The temperature detection method for a semiconductor device, wherein the terminal is one of an emitter terminal and a collector terminal of the semiconductor device. 請求項１に記載の半導体素子の温度検出方法において、
前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。 The temperature detection method for a semiconductor device according to claim 1,
A plurality of the semiconductor elements, wherein the temperature detecting element is disposed on one of an emitter terminal and a collector terminal of a semiconductor element in which the temperature rise is large among the plurality of semiconductor elements. Element temperature detection method. 逆変換部に用いる半導体素子の温度を検出する電力変換装置において、
前記半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device that detects the temperature of the semiconductor element used in the inverse conversion unit,
A power conversion apparatus, wherein temperature detection of the semiconductor element is performed by a temperature detection element disposed in the vicinity of a terminal with respect to a junction of the semiconductor element. 請求項４に記載の電力変換装置において、
前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
The power conversion device, wherein the terminal is one of an emitter terminal and a collector terminal of the semiconductor element. 請求項４に記載の電力変換装置において、
前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
The number of the semiconductor elements is plural, and the temperature detecting element is disposed on one of the emitter terminal and the collector terminal of the semiconductor element in which the temperature rise is large among the plurality of semiconductor elements. Conversion device. 請求項４に記載の電力変換装置において、
前記温度検出素子が前記半導体素子の接続に使用される回路基板上に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
The power conversion device, wherein the temperature detection element is disposed on a circuit board used for connection of the semiconductor element.
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