JP2008042958A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子から出力される電流に重畳する微小な高周波ノイズを検出可能な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】ＩＧＢＴ素子Ｑ１は、主セル部３１と、センスセル部３２とを含む。主セル部３１から主電流Ｉ１が出力される。センスセル部３２からは主電流Ｉ１に比例するセンス電流Ｉが出力される。インダクタＬ１はセンス電流Ｉを時間微分する。これによりインダクタＬ１の両端には電圧Ｖ１が生じる。主電流Ｉ１に高周波ノイズが重畳した場合にはセンス電流Ｉに高周波成分が含まれる。高周波成分の周波数が高くなるほど電圧Ｖ１が大きくなる。電圧Ｖ１を検出することで主電流Ｉ１に重畳する高周波ノイズを検出できる。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体モジュールに関し、特に、負荷の部分放電を監視する機能を備える半導体モジュールに関する。

たとえば特開２００３−２７４６６７号公報（特許文献１）は、三相モータの巻線電流を検出する回路を備えた三相インバータ用パワーモジュールを開示する。このパワーモジュールでは、三相フルブリッジ回路の下アームを構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に、エミッタが主エミッタとセンスエミッタとに２分割されたセンスＩＧＢＴが用いられる。センスエミッタと接地端子との間には電流／電圧変換用のシャント抵抗が接続される。センスエミッタから電流が出力されるとシャント抵抗の両端に電圧が生じる。この電圧に基づいて主電流の大きさあるいは回生電流の大きさが検出される。
特開２００３−２７４６６７号公報

回転機等の負荷に含まれる絶縁体中に微小な空隙等が存在すると、その部分に電界が集中して微弱な放電が発生する。このような放電は一般的に「部分放電」と呼ばれる。部分放電が生じると絶縁体が劣化しやすくなるので、長時間使用する間にこの部分放電発生部において絶縁破壊が生じることがある。回転機において部分放電が起こる場所は様々であるが、たとえば固定子巻線のターン間、単固定端子間、巻線の端部等で部分放電が生じることがある。

部分放電が生じると負荷を流れる電流に微弱な高周波成分が重畳する。上述のごとく従来の半導体モジュールにおいても負荷に流れる電流を検出する機能を有し、特開２００３−２７４６６７号（特許文献１）に開示されているように、従来はセンスエミッタに接続された抵抗に生じる電圧を測定する。しかしながらこの方法は負荷の通常運転時あるいは地絡時等における大きな電流を測定するには優れているものの、部分放電の測定のように微弱な高周波電流の測定に関しては十分な検出感度が得られない。

一方、回転機に部分放電が生じているかどうかを検出するため、高周波アンプを用いて電流の高周波成分を測定する方法、あるいは部分放電により生じた電波をアンテナにより検出する方法等が用いられている。しかしこれらの方法を実施する場合には、部分放電を検出する装置を回転機の内部あるいは近傍に設ける必要がある。

本発明の目的は、半導体スイッチング素子から出力される電流に重畳する微小な高周波ノイズを検出可能な半導体モジュールを提供することである。

本発明は要約すれば、半導体モジュールであって、半導体スイッチング素子と、検出器とを備える。半導体スイッチング素子は、主電流を出力する主セル部と、主電流に比例するセンス電流を出力するセンスセル部とを有する。検出器は、半導体スイッチング素子のスイッチング周波数よりも周波数が高い所定の周波数成分がセンス電流に含まれているか否かを検出する。

本発明によれば、半導体スイッチング素子から出力される主電流に重畳する微小な高周波ノイズをセンス電流により検出できる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の半導体モジュールの構成例を示す図である。

図１を参照して、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）１００は、本発明の半導体モジュールに対応する。ＩＰＭ１００は負荷である三相モータ１０２を駆動する。

ＩＰＭ１００は、端子Ｔ１，Ｔ２，ＴＵ，ＴＶ，ＴＷと、Ｕ相アーム１と、Ｖ相アーム２と、Ｗ相アーム３とを含む。

端子Ｔ１には電位ＶＣＣが与えられ、端子Ｔ２には接地電位が与えられる。
Ｕ相アーム１は、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２と、監視部１１，１２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれ駆動する駆動回路２１，２２とを含む。

ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の各々は、主セル部と、センスセル部とを有する半導体スイッチング素子である。ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のエミッタは主セル部のエミッタ（主エミッタ）とセンスセル部のエミッタ（センスエミッタ）とに２分割される。主エミッタから流れ出る主電流とセンスエミッタから流れ出るセンス電流との比率としては例えば１０００：１に設定される。

一般的にＩＧＢＴ素子は半導体チップに形成された多数の単位セルから構成されている。主セル部のセル数とセンスセル部のセル数とを適切に設定することによって、上記のような電流比を設定することが可能になる。

ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタは端子Ｔ１に接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のゲートは駆動回路２１に接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の主エミッタは端子ＴＵに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタは端子ＴＵに接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のゲートは駆動回路２２に接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の主エミッタは端子Ｔ２に接続される。

監視部１１はＩＧＢＴ素子Ｑ１のセンスエミッタと端子ＴＵとの間に設けられる。監視部１２はＩＧＢＴ素子Ｑ２のセンスエミッタと端子Ｔ２との間に設けられる。

駆動回路２１，２２は、特定の周波数を有する信号をＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ送る。ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２はその信号の周波数（スイッチング周波数）でオン／オフを繰返す。三相モータ１０２に部分放電が生じた場合には、このスイッチング周波数よりも高い周波数を有する周波数成分（高周波ノイズ）が、三相モータ１０２の内部を流れる主電流に重畳する。

ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のセンスエミッタから出力されるセンス電流は主電流に比例する。よって主電流に高周波ノイズが重畳すると、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数よりも周波数が高い高周波成分がセンス電流に含まれる。

監視部１１，１２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２からそれぞれ出力されるセンス電流に上記の高周波成分が含まれるか否かを監視する。監視部１１，１２は監視結果を信号Ｓ１，Ｓ２としてそれぞれ出力する。

信号Ｓ１，Ｓ２はＩＰＭ１００の外部に設けられた制御装置１０４に送られる。制御装置１０４は信号Ｓ１，Ｓ２に応じて、各種の処理を行なう。たとえば制御装置１０４は駆動回路２１，２２を制御したり、三相モータ１０２の交換が必要か否かを判断したりする。

Ｖ相アーム２およびＷ相アーム３はＵ相アーム１と同一の構成を有する。よってＶ相アーム２の構成およびＷ相アーム３の構成について詳細な説明は以後繰返さない。

次に、ＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成をより詳細に説明する。ＩＧＢＴ素子Ｑ２および監視部１２の構成は、以下の図においてＩＧＢＴ素子Ｑ１をＩＧＢＴ素子Ｑ２に、監視部１１を監視部１２にそれぞれ置き換えた構成となる。

図２は、図１のＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。
図２を参照して、ＩＧＢＴ素子Ｑ１は、主セル部３１と、センスセル部３２とを含む。主セル部３１は主エミッタ端子に対応するパッドＰ１を有する。センスセル部３２はセンスエミッタ端子に対応するパッドＰ２を有する。

なお、図２はＩＧＢＴ素子Ｑ１の表面を模式的に示す。ＩＧＢＴ素子Ｑ１の表面の全体はエミッタ電極に覆われている。図示しないがＩＧＢＴ素子Ｑ１のゲート電極は、エミッタ電極の下部に設けられている。また、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の裏面（図示せず）にはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタ電極が設けられている。

図１に示す三相モータ１０２の動作時にはパッドＰ１を介して主セル部３１から主電流Ｉ１が出力される。センスセル部３２からはパッドＰ２を介して主電流Ｉ１に比例するセンス電流Ｉが出力される。

監視部１１はインダクタ（コイル）Ｌ１と電圧検出部４１とを含む。インダクタＬ１の一方端はパッドＰ２に結合される。インダクタＬ１の他方端およびパッドＰ１はともに端子ＴＵに結合される。

インダクタＬ１の一方端から他方端に向けてセンス電流Ｉが流れるとインダクタの両端に起電圧が生じる。この起電圧を電圧Ｖ１とし、インダクタＬ１のインダクタンス成分をＬとすると、電圧Ｖ１はＶ１＝Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）となる。つまりインダクタＬ１はセンス電流Ｉを時間微分する役割を果たす。電圧検出部４１はたとえば電圧Ｖ１のピーク値を検出して、電圧Ｖ１のピーク値の情報を監視結果（信号Ｓ１）として出力する。

従来のＩＰＭではパッドＰ２と端子ＴＵとの間に抵抗が接続される。パッドＰ２からセンス電流Ｉが出力されると、抵抗の両端子間に電圧が生じる。この電圧に基づいて主電流Ｉ１の大きさが検出される。

センス電流Ｉ自体が主電流Ｉ１に比べて非常に小さいため、主電流Ｉ１に高周波ノイズが重畳したとしても、センス電流Ｉに含まれる高周波成分の大きさは非常に小さくなる。しかし、Ｖ１＝Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）の関係から、高周波成分の周波数が高くなるほど電圧Ｖ１が大きくなるので、電圧Ｖ１を検出することが容易になる。これにより主電流Ｉ１に高周波ノイズが重畳したこと、すなわち負荷に部分放電が生じたことを検出できる。

なお、電圧Ｖ１の大きさとセンス電流Ｉの高周波成分の大きさとは、相関関係にあるとみなすことができる。つまりセンス電流Ｉの高周波成分が大きくなるほど電圧Ｖ１も大きくなる。このことは電圧Ｖ１が高くなるほど負荷の絶縁低下が進行していることを示す。

このように実施の形態１によればＩＰＭが負荷の部分放電を監視する。このため実施の形態１によれば負荷の内部あるいは近傍に部分放電を測定する装置を設けなくてもよくなる。また、図１に示すように、信号Ｓ１，Ｓ２を制御装置１０４に送ることで部分放電をオンラインで監視することができる。さらに、負荷に発生する部分放電をリアルタイムで監視することが可能になる。

［実施の形態２］
図３は、実施の形態２の半導体モジュールの構成例を示す図である。

図３および図１を参照して、ＩＰＭ１００ＡはＵ相アーム１に代えてＵ相アーム１Ａを含む点でＩＰＭ１００と異なる。Ｖ相アーム２およびＷ相アーム３はＵ相アーム１Ａと同一の構成を有する。ＩＰＭ１００Ａの他の部分の構成はＩＰＭ１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

Ｕ相アーム１Ａは監視部１１，１２に代えて監視部１１Ａ，１２Ａを含む点でＵ相アーム１と異なる。Ｕ相アーム１Ａの他の部分の構成はＵ相アーム１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

監視部１１Ａ，１２Ａは負荷の部分放電を監視することができるだけでなく、従来のＩＰＭと同様にＩＧＢＴ素子から出力される主電流の大きさを検出することができる。

監視部１１Ａ，１２Ａは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２からそれぞれ出力されるセンス電流に含まれる高周波成分の有無を監視して、監視結果を示す信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ出力する。この点は実施の形態１と同様である。

監視部１１ＡはＩＧＢＴ素子Ｑ１の主セルから出力される電流の大きさを検出して、検出結果を示す信号Ｓ１Ａを出力する。駆動回路２１は信号Ｓ１Ａを受け、たとえばＩＧＢＴ素子Ｑ１に流れる電流が過大であることを検知するとＩＧＢＴ素子Ｑ１をオフする。

監視部１２ＡはＩＧＢＴ素子Ｑ２の主セルから出力される電流の大きさを検出して、検出結果を示す信号Ｓ２Ａを出力する。駆動回路２２は信号Ｓ２Ａを受け、たとえばＩＧＢＴ素子Ｑ２に流れる電流が過大であることを検知するとＩＧＢＴ素子Ｑ２をオフする。

図４は、図３のＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成を示す図である。
図４を参照して、監視部１１Ａは、電流センサＳＮＳと、監視部１１とを備える。電流センサＳＮＳは、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１に対応して設けられる電圧検出部４１Ａとを含む。

抵抗Ｒ１の一方端はパッドＰ２に結合され、抵抗Ｒ１の他方端はインダクタＬ１の一方端に結合される。抵抗Ｒ１にセンス電流Ｉが流れると電圧Ｖ１Ａが生じる。電圧検出部４１Ａはこの電圧Ｖ１Ａを検出して検出結果を信号Ｓ１Ａとして出力する。

また、図４に示す監視部１１の構成は図２に示す監視部１１の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

実施の形態１では監視部１１はセンス電流Ｉの高周波成分のみ検出可能である。言い換えると実施の形態１ではセンス電流Ｉの低周波成分を検出できない。つまり実施の形態１では三相モータ１０２の動作時に三相モータ１０２に流れる電流の大きさは検出できない。

これに対し、実施の形態２では抵抗Ｒ１およびインダクタＬ１を用いることでセンス電流Ｉの低周波成分および高周波成分をそれぞれ検出できる。これにより実施の形態２によれば１つのセンスセル部から流れ出る電流により負荷に流れる電流の大きさを検出できるだけでなく、負荷に部分放電が生じたことも検出できる。

なお、図４では抵抗Ｒ１がインダクタＬ１よりもＩＧＢＴ素子Ｑ１の近くに設けられているが、インダクタＬ１を抵抗Ｒ１よりもＩＧＢＴ素子Ｑ１の近くに設けてもよい。

［実施の形態３］
実施の形態３の半導体モジュールの全体構成は図３に示すＩＰＭ１００Ａの構成と同様である。ただし実施の形態３では図３に示すＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成が実施の形態２と異なる。よって以下、ＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成について説明する。

図５は、実施の形態３におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成を示す図である。

図５および図４を参照して、実施の形態３ではＩＧＢＴ素子Ｑ１は主セル部３１、センスセル部３２に加えてセンスセル部３３を含む。この点で実施の形態３は実施の形態２と異なる。

センスセル部３３はセンスエミッタ端子に対応するパッドＰ３を有する。主セル部３１のパッドＰ１から主電流Ｉ１が出力されると、主電流Ｉ１に比例するセンス電流Ｉ２がパッドＰ３から出力される。

電流センサＳＮＳはセンス電流Ｉ２の大きさを検出する。抵抗Ｒ１の一方端はパッドＰ３に結合され、抵抗Ｒ１の他方端は端子ＴＵに結合される。抵抗Ｒ１にセンス電流Ｉ２が流れると抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖ２が生じる。電圧検出部４１Ａは電圧Ｖ２を検出して検出結果を示す信号Ｓ１Ａを出力する。

センスセル部から出力される電流の大きさはセンスセル部の面積に依存する。主電流Ｉ１の大きさおよび主電流Ｉ１に含まれる高周波ノイズの大きさをともに精度よく検出するためには、抵抗Ｒ１に流れる電流量とインダクタＬ１に流れる電流量とを別々に設定したほうがよい場合もある。

センスセル部３２，３３の面積は抵抗Ｒ１およびインダクタＬ１にそれぞれ流れる電流量に対応した面積に設定される。これにより実施の形態３によれば、負荷の部分放電を精度よく検出できるとともに、負荷に流れる電流の大きさ（主電流の大きさ）を精度よく検出することができる。

［実施の形態４］
実施の形態４の半導体モジュールの全体構成は図１に示すＩＰＭ１００の構成と同様である。ただし実施の形態４と実施の形態１とは図１に示す監視部１１，１２の内部構成が異なる。以下、代表的に監視部１１の構成について説明する。監視部１２の構成は監視部１１の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

図６は、実施の形態４におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。

図６を参照して、監視部１１は、インダクタＬ１と、フィルタＦ１と電圧検出部４１とを含む。図６および図２を参照すれば分かるように、実施の形態４ではインダクタＬ１の前段にフィルタＦ１が設けられる。フィルタＦ１の入力端子はパッドＰ２に結合され、フィルタＦ１の出力端子はインダクタＬ１の一方端に結合される。この点で実施の形態４の半導体モジュールは実施の形態１の半導体モジュールと相違する。

パッドＰ１から主電流Ｉ１が出力されるとパッドＰ２からは主電流Ｉ１に比例するセンス電流Ｉ０が出力される。フィルタＦ１は、たとえば１０ＭＨｚ以下の周波数を有する周波数成分をカットするために設けられる。

多くの場合、負荷の部分放電が生じたときに主電流に重畳する高周波信号の周波数は数ＧＨｚ程度である。よってセンス電流Ｉ０にも数ＧＨｚ程度の周波数を有する高周波成分が含まれる。フィルタＦ１は、センス電流Ｉ０からこの高周波成分よりも周波数の低い周波数成分を取り除く。

主電流Ｉ１のほとんどは低周波成分である。言い換えればセンス電流のほとんどは低周波成分である。このため実施の形態１〜３によれば高周波成分がセンス電流の中に含まれているかどうかを検出しにくい可能性がある。これに対し実施の形態４ではセンス電流から低周波成分を予め除去するので、高周波成分を精度よく検出できる。よって負荷の部分放電を精度よく検出できる。

なお、監視部１１は図４に示す電流センサＳＮＳをさらに備えてもよい。これにより実施の形態４においても主電流Ｉ１の大きさを検出することができる。ただしこの場合にはフィルタＦ１よりもＩＧＢＴ素子Ｑ１に近い側に抵抗を設ける必要がある。

［実施の形態５］
実施の形態５の半導体モジュールの全体構成は図１に示すＩＰＭ１００の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。実施の形態５は実施の形態４に対して、監視部１１の内部に設けられるフィルタの種類が異なる。以下、実施の形態４と同様に、監視部１１の構成について代表的に説明する。監視部１２の構成は監視部１１の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

図７は、実施の形態５におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。

図７および図６を参照して、実施の形態５では監視部１１は、フィルタＦ１に代えてバンドパスフィルタであるフィルタＦ２を含む。この点で実施の形態５は実施の形態４と異なる。なお図７に示す監視部１１の他の部分の構成は図６に示す監視部１１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

フィルタＦ２はセンス電流Ｉ０に含まれる高周波成分のみを選択的に通過させる。フィルタＦ２はセンス電流Ｉ０に含まれる高周波成分（図７ではセンス電流Ｉと示す）が出力される。よって実施の形態５によれば負荷の部分放電を精度よく検出できる。

バンドパスフィルタの周波数帯域の下限値および上限値はたとえば以下の方法により定めることができる。たとえば下限値は、負荷運転時の電流のスイッチング波形（特に立ち上がり時）に応じて設定される。立ち上がり時の電流波形がどれだけ急峻になるかはＩＧＢＴ等、ＩＰＭに用いられる半導体スイッチング素子の特性に依存する。立上がり時の周波数が５００ｋＨｚであれば、下限値は５００ｋＨｚよりも若干高く（たとえば１ＭＨｚ）設定される。一方、部分放電に伴う高周波成分の周波数の上限は、一般的に数ＧＨｚ程度と考えられている。この点を考慮して上限値はたとえば１０ＧＨｚに設定される。

なお、実施の形態５において監視部１１は図４に示す電流センサＳＮＳをさらに備えてもよい。これにより実施の形態５においても主電流Ｉ１の大きさを検出することができる。ただしこの場合には実施の形態４と同様にフィルタＦ２よりもＩＧＢＴ素子Ｑ１に近い側に抵抗を設ける必要がある。

［実施の形態６］
図８は、実施の形態６の半導体モジュールの構成例を示す図である。

図８および図１を参照して、ＩＰＭ１００ＢはＵ相アーム１に代えてＵ相アーム１Ｂを含む点でＩＰＭ１００と異なる。Ｖ相アーム２およびＷ相アーム３はＵ相アーム１Ｂと同一の構成を有する。ＩＰＭ１００Ｂの他の部分の構成はＩＰＭ１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

Ｕ相アーム１Ｂは監視部１１，１２に代えて監視部１１Ｂ，１２Ｂを含む点でＵ相アーム１と異なる。Ｕ相アーム１Ｂの他の部分の構成はＵ相アーム１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

監視部１１Ｂ，１２Ｂは、三相モータ１０２の部分放電がある程度大きくなったことを検知すると、制御装置１０４に対して検知結果、すなわち負荷の部分放電がある程度大きくなったことを示す信号Ｓ１１，Ｓ１２をそれぞれ送信する。制御装置１０４が表示画面を有するコンピュータである場合、たとえば制御装置１０４は信号Ｓ１１，Ｓ１２を受けると絶縁劣化が進んでいることを知らせるメッセージを画面に表示させる。

図９は、図８に示すＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ｂの構成を示す図である。
図９および図２を参照して、監視部１１Ｂは、電圧検出部４１に代えて電圧検出部４１Ｂを含む点で監視部１１と異なる。監視部１１Ｂの他の部分の構成については監視部１１と同様であるので以後の説明は繰返さない。

図１０は、図９のインダクタＬ１の両端に発生する電圧Ｖ１の波形を模式的に示す図である。

図１０および図９を参照して、三相モータ１０２の内部に部分放電が生じたまま三相モータ１０２の動作を続けた場合には、時間ｔの経過に従って電圧Ｖ１のピーク値が大きくなる。

一般的に絶縁劣化が進むにつれて部分放電の大きさは大きくなる。部分放電が大きくなると絶縁破壊が生じる確率が高くなる。電圧Ｖ１の大きさは部分放電の大きさ（すなわちセンス電流Ｉに含まれる高周波成分の大きさ）と相関がある。つまり電圧Ｖ１のピークが次第に大きくなっているということは絶縁劣化が進行していることを示す。

電圧検出部４１Ｂは電圧Ｖ１の値がしきい値ＶＨ以上か否かを監視して監視結果である信号Ｓ１１を出力する。これにより負荷が絶縁破壊を起こす可能性が高くなったこと、すなわち負荷のメンテナンスあるいは交換が必要になったことをＩＰＭ１００Ｂは外部に通知することができる。なお電圧検出部４１Ｂは本発明の「電圧監視部」に対応する。

なお実施の形態６のＩＰＭが行なう通知の方法は様々であり、たとえば以下のような方法でもよい。

図１１は、実施の形態６の半導体モジュールの変形例を示す図である。
図１１および図８を参照して、ＩＰＭ１００Ｂ１はＵ相アーム１Ｂに代えてＵ相アーム１Ｂ１を含む。Ｕ相アーム１Ｂ１はＬＥＤ（Light Emitting Diode）５１Ａ，５２Ａと、信号Ｓ１１を受けるとＬＥＤ５１Ａを点灯させる点灯回路５１と、信号Ｓ１２を受けるとＬＥＤ５２Ａを点灯させる点灯回路５２とを含む。この構成によれば、たとえば保守員がＩＰＭを見た場合に、三相モータのメンテナンス（あるいは交換）が必要かどうかを容易に把握できる。

また実施の形態６では、電圧検出部４１Ｂがしきい値ＶＨを変更できることが好ましい。たとえば制御装置１０４からある値が与えられると、電圧検出部４１Ｂは記憶するしきい値ＶＨを制御装置１０４から与えられた値に変更する。

部分放電の大きさは負荷である回転機に大きく依存する。絶縁破壊を生じさせずに回転機を使いつづけるためには、回転機の用途あるいは経済効率を考慮しながら回転機の残り寿命を定める必要がある。

図面上は同一の回転機であっても、部分放電の大きさや生じやすさは回転機ごとに異なる。ただし部分放電の大きさや生じやすさはいくつかのパターンに分類することができる。これらのパターンに従って、どのくらい後に絶縁破壊が生じるか、あるいは、今後絶縁破壊が生じる確率がどのくらいか、といったことなどをある程度経験的に把握することができる。

しかしながら回転機の部分放電の大きさは一台ごとに異なる。このため部分放電の傾向を大まかに把握できても、実際に動作させてみないと回転機の部分放電の大きさは正確には分からない。このような理由により、しきい値ＶＨは、実際の部分放電の大きさを測定した後に調整することが好ましい。

以上のように実施の形態６によれば、部分放電が進行した場合に、部分放電が進行したことをＩＰＭが通知する。これにより絶縁破壊が生じる前に負荷のメンテナンスあるいは交換を行なうことが可能になる。

［実施の形態７］
図１２は、実施の形態７の半導体モジュールの構成例を示す図である。

図１２および図１を参照して、ＩＰＭ１００ＣはＵ相アーム１に代えてＵ相アーム１Ｃを含む点でＩＰＭ１００と異なる。Ｖ相アーム２およびＷ相アーム３はＵ相アーム１Ｃと同一の構成を有する。ＩＰＭ１００Ｃの他の部分の構成はＩＰＭ１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

Ｕ相アーム１Ｃは監視部１１，１２に代えて監視部１１Ｃ，１２Ｃを含む点でＵ相アーム１と異なる。Ｕ相アーム１Ｃの他の部分の構成はＵ相アーム１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

監視部１１Ｃ，１２Ｃは、具体的にはインダクタである。図１２に示すようにインダクタＬ１，Ｌ２は監視部１１Ｃ，１２Ｃにそれぞれ対応する。

インダクタＬ１の一方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１のセンスエミッタ端子および端子Ｔ１Ａに結合され、インダクタＬ１の他方端は端子Ｔ１Ｂおよび端子ＴＵに結合される。インダクタＬ２の一方端はＩＧＢＴ素子Ｑ２のセンスエミッタ端子、および端子Ｔ２Ａに結合され、インダクタＬ２の他方端は端子Ｔ２に結合される。

インダクタＬ１はＩＧＢＴ素子Ｑ１のセンスエミッタ端子から出力されるセンス電流に含まれる高周波成分を時間微分する。これによりインダクタＬ１の両端には電圧Ｖ１が生じる。インダクタＬ１の両端に端子Ｔ１Ａ，Ｔ１Ｂがそれぞれ結合されているので端子Ｔ１Ａ，Ｔ１Ｂ間の電圧は電圧Ｖ１に等しくなる。

インダクタＬ２はＩＧＢＴ素子Ｑ２のセンスエミッタ端子から出力されるセンス電流に含まれる高周波成分を時間微分する。これによりインダクタＬ２の両端には電圧Ｖ３（起電圧）が生じる。インダクタＬ２の両端に端子Ｔ２Ａ，Ｔ２がそれぞれ結合されているので端子Ｔ２Ａ，Ｔ２間の電圧は電圧Ｖ３に等しくなる。

制御装置１０４は電圧Ｖ１，Ｖ３を受けて三相モータ１０２における部分放電の有無を監視する。すなわち制御装置１０４は監視装置として機能する。

たとえば複数の回転機に対応して複数のＩＰＭ１００Ｃがそれぞれ設けられている場合には、制御装置１０４は各ＩＰＭ１００Ｃから電圧Ｖ１，Ｖ３に相当する電圧を受ける。これにより制御装置１０４は複数の回転機の絶縁劣化の進行状況を一括して監視できる。

また、実施の形態７の半導体モジュールによれば監視部の構成を簡単にすることができる。

なお、本発明の半導体モジュールが備える検出機能は、負荷の部分放電を検出するための用途に限定されるものではない。本発明の半導体モジュールは半導体スイッチング素子のスイッチング周波数よりも周波数が高い周波数成分がセンス電流に含まれていても、その周波数成分を検出できる。

また、上述の説明では負荷の例として回転機を示した。しかし絶縁劣化による部分放電は電気機器一般に見られるものである。すなわち本実施の形態の半導体モジュールは回転機以外の電気機器、および接続ケーブル等に生じた部分放電も監視できる。

さらに、上述の説明では本実施の形態の半導体モジュールに用いられる半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを示した。ただし、半導体スイッチング素子として、たとえば電流センス機能を有するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が本実施の形態の半導体モジュールに用いられてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の半導体モジュールの構成例を示す図である。 図１のＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。 実施の形態２の半導体モジュールの構成例を示す図である。 図３のＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成を示す図である。 実施の形態３におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ａの構成を示す図である。 実施の形態４におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。 実施の形態５におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１の構成を示す図である。 実施の形態６の半導体モジュールの構成例を示す図である。 図８に示すＩＧＢＴ素子Ｑ１および監視部１１Ｂの構成を示す図である。 図９のインダクタＬ１の両端に発生する電圧Ｖ１の波形を模式的に示す図である。 実施の形態６の半導体モジュールの変形例を示す図である。 実施の形態７の半導体モジュールの構成例を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｂ１，１Ｃ Ｕ相アーム、２ Ｖ相アーム、３ Ｗ相アーム、１１，１２，１１Ａ，１２Ａ，１１Ｂ，１２Ｂ，１１Ｃ，１２Ｃ 監視部、２１，２２ 駆動回路、３１ 主セル部、３２，３３ センスセル部、４１，４１Ａ，４１Ｂ 電圧検出部、５１，５２ 点灯回路、５１Ａ，５２Ａ ＬＥＤ、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｂ１，１００Ｃ ＩＰＭ、１０２ 三相モータ、１０４ 制御装置、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｆ１，Ｆ２ フィルタ、Ｌ１，Ｌ２ インダクタ、Ｐ１〜Ｐ３ パッド、Ｑ１，Ｑ２ ＩＧＢＴ素子、Ｒ１ 抵抗、ＳＮＳ 電流センサ、Ｔ１，Ｔ２，ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ，Ｔ１Ａ，Ｔ１Ｂ，Ｔ２Ａ 端子。

Claims (9)

1. 主電流を出力する主セル部と、前記主電流に比例するセンス電流を出力するセンスセル部とを有する半導体スイッチング素子と、
   前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数よりも周波数が高い所定の周波数成分が前記センス電流に含まれているか否かを検出する検出器とを備える、半導体モジュール。
2. 前記検出器は、一方端から他方端に向かって前記センス電流が流れ、前記所定の周波数成分に応じた起電圧が前記一方端と前記他方端との間に生じるインダクタを含む、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記検出器は、
   前記インダクタに直列に接続され、前記センス電流の大きさを検出する電流センサをさらに含む、請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記半導体素子は、
   前記主電流に比例する他のセンス電流を出力する他のセンスセル部をさらに含み、
   前記検出器は、
   前記他のセンス電流の大きさを検出する電流センサをさらに含む、請求項２に記載の半導体モジュール。
5. 前記検出器は、
   前記センスセル部が有する前記センス電流を出力する端子に入力端子が結合され、前記インダクタの前記一方端に出力端子が結合され、前記センス電流から前記所定の周波数成分よりも低周波側にある周波数成分を取り除くフィルタをさらに含む、請求項２に記載の半導体モジュール。
6. 前記検出器は、
   前記センスセル部が有する前記センス電流を出力する端子に入力端子が結合され、前記インダクタの前記一方端に出力端子が結合され、前記センス電流を受けて前記所定の周波数成分を通過させるバンドパスフィルタをさらに含む、請求項２に記載の半導体モジュール。
7. 前記検出器は、
   前記電圧の値が所定値以上か否かを監視して、監視結果を出力する電圧監視部をさらに含む、請求項２に記載の半導体モジュール。
8. 前記インダクタの前記一方端および前記他方端にそれぞれ結合される第１および第２の出力端子をさらに備える、請求項２に記載の半導体モジュール。
9. 前記主電流は、前記半導体モジュールに接続された負荷に流れ、
   前記所定の周波数成分は、前記負荷の部分放電に伴って前記主電流に重畳する高周波ノイズの周波数成分に対応する周波数成分である、請求項１に記載の半導体モジュール。

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