JP2007089256A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ、半導体モジュール及びその温度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出が簡単且つ確実であり小型化が可能なＤＣ−ＤＣコンバータ、それに好適な半導体モジュール及びその温度検出装置を提供する。
【解決手段】複数のＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子１２、１６の主電流路を並列接続し、これらのスイッチング素子１２、１６の主電流路に接続された逆流防止ダイオード等のダイオード１４に温度検出器１３を熱的に結合して配置する。これら複数のスイッチング素子１２、１６は、時分割制御される。
【選択図】図１

Description

本発明はＤＣ−ＤＣコンバータ、半導体モジュール及びその温度検出装置に関し、特に時分割昇圧チョッパ等のＤＣ−ＤＣコンバータ、それに好適な半導体モジュール及びその温度検出装置に関する。

電子回路の構成素子として使用される多くの電子デバイスは、直流電源により駆動されるのが一般的である。この直流電源の電圧も、駆動される負荷や必要とする出力電力等の要件により異なる。例えば、車両に搭載されて使用される車載機器にあっては、出力電圧が一定であるバッテリから動作電力を得るのが一般的である。従って、このバッテリの電圧と異なる電圧が必要な場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して、必要な電圧の直流電源を得るのが一般的である。ソース（バッテリ出力電圧等の直流入力）電圧よりも高い出力電圧を得るには、例えば、昇圧チョッパ又はスイッチング方式電源装置を使用する。

スペースの有効利用その他の理由で、電子機器は、小型軽量化するのが好ましい。ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化には、スイッチング周波数を高くする、即ち高周波化が有効である。高周波化の手法として時分割制御が知られている。時分割制御では、例えば、トランジスタであるスイッチング素子のスイッチング損失の増大を、複数個のスイッチング素子に分割することにより損失を分散させ、高周波化する技術が開発され実用化されている。

また、スイッチング素子として使用される半導体デバイスは、許容温度を超えると、破壊又は性能の著しい低下を生じる。そこで、各半導体デバイスの温度を、サーミスタ等を使用して測定する。また、各半導体デバイスの動作温度を測定又は監視する温度検出器を組み込んだ半導体モジュールとして、動作温度が許容値を超えないように制御する必要があり、斯かる半導体モジュールの温度検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−３８９６４号公報（第２−３頁、第１図）

図３は、典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成を示す図である。このＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、直流入力電源３１、第１スイッチング素子３２、リアクトル３３、第２スイッチング素子３４、第１ダイオード３５、第２ダイオード３６、平滑コンデンサ３７、負荷３８及び制御部３９により構成される。

制御部３９により第１スイッチング素子３２がオンのとき、直流入力電源３１からリアクトル３３、第２ダイオード３６及び平滑コンデンサ３７に電流が流れる。第１スイッチング素子３２がオフとなると、リアクトル３３に蓄えられたエネルギーは、第１ダイオード３５、第２ダイオード３６及び平滑コンデンサ３７を介して流れる。そこで、負荷３８の出力電圧は、第１スイッチング素子３２のオン期間に比例する。次に、第１スイッチング素子３２がオン状態で且つ第２スイッチング素子３４がオンになると、第１スイッチング素子３２及び第２スイッチング素子３４を介して直流入力電源３１からリアクトル３３に電流が流れるようになる。

このリアクトル３３に蓄えられたエネルギーは、第２スイッチング素子３４がオフになると、直流入力電源３１に加えられて平滑コンデンサ３７に流れる。そこで、平滑コンデンサ３７及び負荷３８には、直流入力電源３１の入力電圧よりも高い、即ち昇圧された出力電圧が印加される。この昇圧の程度は、第２スイッチング素子３４のオン期間に対応するので、制御部３９により第２スイッチング素子３４のオン期間を制御することにより、希望する出力電圧を負荷３８に供給することが可能となる。

一方、図４は、図３に示すスイッチング素子３２、３４として使用可能であり、上述した特許文献１に開示される如き半導体モジュールの温度検出装置４０の概略構成を示す説明図である。複数（この特定例では３個）の半導体素子（ＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタを複合・一体化した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、以下ＩＧＢＴ素子という）４１ａ〜４１ｃにそれぞれ温度検出用ダイオード４２ａ〜４２ｃが組み込まれている。そして、これら複数のダイオード４２ａ〜４２ｃの温度を、電流源４４、基準電圧発生源４５及びコンパレータ４６を含む温度検出回路４３により検出している。その検出出力は、過熱制御回路４７を介してＩＧＢＴ制御回路４８に入力されている。尚、温度検出回路４３の電流源４４の電流は、並列接続された温度検出用ダイオード４２ａ〜４２ｃに流すよう構成されている。

上述の如き従来技術は、幾つかの課題を有する。先ず、サーミスタによる温度検出は、応答特性が遅くて、半導体デバイスの確実な保護が困難である。また、各半導体デバイスに温度検出用ダイオード等を使用すると、半導体モジュールが複雑となるのみならず、温度検出回路も複雑且つ高価になる。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題を克服又は軽減するＤＣ−ＤＣコンバータ、半導体モジュール及びその温度検出装置を提供することを主たる目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータ、半導体モジュール及びその温度検出装置は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）直流入力電源からスイッチング手段を介してリアクトルに電流を流してエネルギーを蓄え、前記スイッチング手段がオフの期間に、前記リアクトルに蓄えられたエネルギーを負荷に出力して所望の直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記スイッチング手段として並列接続された複数のスイッチング素子を設け、該複数のスイッチング素子の主電流路に接続されるダイオード及び前記複数のスイッチング素子を半導体モジュールとし、前記ダイオードの温度を検出する温度検出器を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
（２）前記複数のスイッチング素子は、時分割制御によりオン・オフ制御される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である上記（１）のＤＣ−ＤＣコンバータ。
（３）前記ダイオードは、逆流防止ダイオードである上記（１）又は（２）のＤＣ−ＤＣコンバータ。
（４）スイッチング手段及び該スイッチング手段の主電流路に接続されたダイオードを含む半導体モジュールにおいて、
前記スイッチング手段は、主電流路が並列接続されると共に相互に所定間隔で配置された第１及び第２スイッチング素子により構成され、前記ダイオードは、前記第１及び第２スイッチング素子間に配置され、前記ダイオードに隣接して配置された温度検出器を備える半導体モジュール。
（５）前記第１及び第２スイッチング素子及び前記ダイオードは、それぞれ耐熱性基板上に形成され、ベース面に並べて配置される上記（４）の半導体モジュール。
（６）相互に時分割制御される複数のスイッチング素子、該スイッチング素子の主電流路に接続されたダイオード及び前記スイッチング素子の温度異常を検出する温度検出器を含む半導体モジュールの温度検出装置において、
前記温度検出器は、前記複数のスイッチング素子の間に設けられた前記ダイオードに隣接して配置される半導体モジュールの温度検出装置。
（７）前記ダイオード及び前記温度検出器は、前記スイッチング素子の基板とは別の基板上に相互に隣接して配置される上記（６）の半導体モジュールの温度検出装置。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ、それに好適な半導体モジュール及びその温度検出装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、時分割制御される複数のスイッチング素子を使用すると共にこれらのスイッチング素子の主電流路に接続されたダイオードに温度検出器を設けることにより、半導体モジュールの構成を簡単にすることができる。また、複数のスイッチング素子に対して単一の温度検出器を使用するので、温度検出を簡単且つ確実に行うと共に複数の温度検出器のばらつきを考慮する必要がない。更に、温度検出器の検出温度は、各スイッチング素子の動作と独立である。更にまた、高周波で動作する小型化されたＤＣ−ＤＣコンバータが実現可能である。

以下、本発明による半導体モジュール、その温度検出装置及びそれを使用するＤＣ−ＤＣコンバータの好適実施例の構成及び動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による温度検出装置を含む半導体モジュールの好適実施例の基本構成を示す電気的回路図である。この半導体モジュール１０は、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ等に好適であり、複数（図１の実施例では２個）のＩＧＢＴ素子１２、１６、温度検出器１３及び逆流防止ダイオード１４を含んでいる。これらＩＧＢＴ素子１２、１６の主電流路（コレクタ及びエミッタ）は、並列接続されている。そして、逆流防止ダイオード１４は、これら並列接続されたＩＧＢＴ素子１２、１６の主電流路に直列接続、即ち、両ＩＧＢＴ素子１２及び１６のコレクタに接続されている。また、温度検出器１３は、逆流防止ダイオード１４に隣接して（熱結合状態で）配置されている。これらＩＧＢＴ素子１２、１６のゲート電極に制御部からスイッチング制御信号が印加され、交互に時分割制御される。

次に、図２は、図１に示す半導体モジュール１０のデバイス配置図である。図２（Ａ）は半導体モジュール１０の平面（上面図）であり、図２（Ｂ）はこの半導体モジュール１０の縦断面図である。

この半導体モジュール１０の好適実施例において、各構成素子１２、１４及び１６は、それぞれ耐熱性基板、好ましくはセラミック基板１１、１５及び１７上に形成されている。そして、これらのセラミック基板１１、１５及び１７は、温度検出器１３及び逆流防止ダイオード１４が配置されたセラミック基板１５をＩＧＢＴ素子１２及び１６が配置されたセラミック基板１１及び１７の中間部に位置するように、ベース１８上に略直線状に並べて配置されている。

このような半導体モジュール１０を、上述した如きＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子として使用すると、時間的な２分割でＩＧＢＴ素子１２、１６が制御されるので、スイッチング損失と定常オン損失がこれら２個のＩＧＢＴ素子１２、１６に分担されることとなる。通常動作可能のスイッチング動作を、ＩＧＢＴ素子１２、１６の分割により、見かけ上２倍の動作周波数とすることが可能になる。

半導体モジュール１０は、２個のＩＧＢＴ素子１２、１６及び逆流防止ダイオード１４を一体構造（モジュール化）にすることにより、配線等によるインピーダンス成分を最小に抑えて高周波動作を容易にする。尚、図１に示す半導体モジュール１０では、２個のＩＧＢＴ素子１２、１６の主電流路を並列接続して、これら両ＩＧＢＴ素子１２、１６の電流が逆流防止ダイオード１４に流れるので、この逆流防止ダイオード１４のスイッチング損失は、２個のＩＧＢＴ素子１２、１６の損失の合計となる。ここで、ダイオードのオン・オフ時の立ち上がり、立ち下り時間は高速であるので、スイッチング損失は、ＩＧＢＴ素子よりも一般に小さい。しかし、ダイオード特有の逆回復特性によるスイッチング損失は大きく、高周波動作になるほどその影響は大きくなる。

本発明の半導体モジュール１０を高周波のＤＣ−ＤＣコンバータ等に使用して高周波スイッチングを行う場合、特に時分割制御を行う場合には、逆流防止ダイオード１４のスイッチング損失がＩＧＢＴ素子１２、１６の損失より大きくなり得る。また、２個のＩＧＢＴ素子１２、１６の特性にばらつきがある場合にも、本発明の半導体モジュール１０によると、温度検出器１３は、この逆流防止ダイオード１４に関連付けて設けられているので、それを反映した温度検出又は測定が可能になる。

図２において、半導体素子１２、１４及び１６は、銅又はアルミニウムの如き良熱伝導性のベース１８に、それぞれ例えばセラミックの如き絶縁性基板１１、１５及び１７を介して電気的に絶縁して配置又は搭載される。また、ベース１８は、必要に応じて冷却水等により冷却して半導体素子１２、１４及び１６の発熱を効率的に放熱可能である。

上述の如く、温度検出器１３は、逆流防止ダイオード１４と同一基板１５に搭載されている。従って、逆流防止ダイオード１４の温度は、この（セラミック）基板１５を介して温度検出器１３に伝えられる。そして、ＩＧＢＴ素子１２、１６の温度は、温度検出器１３に対する影響を抑えている。従って、この温度検出器１３は、実質的に逆流防止ダイオード１４の温度に依存又は応答する。そして、この逆流防止ダイオード１４の温度は、負荷状態、入力条件及び外部条件に関連している。

以上、本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータ、それに好適な半導体モジュール及びその温度検出装置の好適実施例について詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨及び精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

例えば、上述の実施例では、半導体モジュールに２個のＩＧＢＴ素子を使用する例を示したが、３個以上のＩＧＢＴ素子を使用してもよいことは勿論である。また、スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を示したが、ＭＯＳトランジスタその他の半導体スイッチング素子であってもよいことは勿論である。更に、本発明の半導体モジュールは、図３に示す如きＤＣ−ＤＣコンバータの第２スイッチング素子３４及び第２ダイオード３６に好適であるが、第１スイッチング素子３２と第１ダイオード３５又はその他の回路に応用してもよい。また、温度検出器１３は、周知の何れかの温度検知手段が使用可能である。

本発明による半導体モジュールの好適実施例の構成を示す回路図である。 図１に示す半導体モジュールの各デバイス配置を示し、（Ａ）は平面（上面）図、（Ｂ）は縦断面図である。 典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの構成図である。 従来の半導体デバイスの温度検出装置の回路図である。

符号の説明

１０ 半導体モジュール
１１、１５、１７ 基板
１２、１６ スイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）
１３ 温度検出器
１４ ダイオード（逆流防止ダイオード）
１８ ベース
３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３１ 直流入力電源
３２ 第１スイッチング素子
３３ リアクトル
３４ スイッチング素子
３５ 第１ダイオード
３６ 第２ダイオード
３７ 平滑コンデンサ
３８ 負荷
３９ 制御部
４１ａ〜４１ｃ 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
４２ａ〜４２ｃ 温度検出用ダイオード
４３ 温度検出回路
４４ 電流源
４５ 基準電圧発生源
４６ コンパレータ
４７ 過熱制御回路
４８ ＩＧＢＴ制御回路

Claims (7)

1. 直流入力電源からスイッチング手段を介してリアクトルに電流を流してエネルギーを蓄え、前記スイッチング手段がオフの期間に、前記リアクトルに蓄えられたエネルギーを負荷に出力して所望の直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記スイッチング手段として並列接続された複数のスイッチング素子を設け、該複数のスイッチング素子の主電流路に接続されるダイオード及び前記複数のスイッチング素子を半導体モジュールとし、前記ダイオードの温度を検出する温度検出器を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記複数のスイッチング素子は、時分割制御によりオン・オフ制御される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 前記ダイオードは、逆流防止ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. スイッチング手段及び該スイッチング手段の主電流路に接続されたダイオードを含む半導体モジュールにおいて、
   前記スイッチング手段は、主電流路が並列接続されると共に相互に所定間隔で配置された第１及び第２スイッチング素子により構成され、前記ダイオードは、前記第１及び第２スイッチング素子間に配置され、前記ダイオードに隣接して配置された温度検出器を備えることを特徴とする半導体モジュール。
5. 前記第１及び第２スイッチング素子及び前記ダイオードは、それぞれ耐熱性基板上に形成され、ベース面に並べて配置されることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 相互に時分割制御される複数のスイッチング素子、該スイッチング素子の主電流路に接続されたダイオード及び前記スイッチング素子の温度異常を検出する温度検出器を含む半導体モジュールの温度検出装置において、
   前記温度検出器は、前記複数のスイッチング素子の間に設けられた前記ダイオードに隣接して配置されることを特徴とする半導体モジュールの温度検出装置。
7. 前記ダイオード及び前記温度検出器は、前記スイッチング素子の基板とは別の基板上に相互に隣接して配置されることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュールの温度検出装置。

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