JP2009158628A

JP2009158628A - パワーモジュールの温度検出構造

Info

Publication number: JP2009158628A
Application number: JP2007333480A
Authority: JP
Inventors: Yozo Makino; 洋三牧野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】冷却フィンの取付面にパワーモジュールを取り付け、該取付面のパワーモジュールの近傍に温度検出素子を結合したり、冷却フィンのブレード側であってパワーモジュールの半導体チップに近い位置に温度検出素子を取り付けた温度検出構造を提供する。
【解決手段】ブレード１ａを有する冷却フィン１の前記ブレード１ａが形成された面とは反対側である取付面１ｂにパワーモジュール２を貼り、該パワーモジュール２を構成する半導体チップ４と対応する位置であって、前記ブレード１ａどうしの間に前記取付面１ｂへ向かって凹部１ｃを形成し、該凹部１ｃに温度センサ３を収容し、該凹部１ｃにはモールド樹脂６を充填した。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールの温度検出構造に関し、パワーモジュールに取り付けた冷却フィンの内部に、温度センサを埋設したものである。

例えば無停電電力装置（ＵＰＳ）は、非常時には蓄電池から直流電流（ＤＣ）が取り出されるので、該直流電流を家庭で扱う交流電流（ＡＣ）に変換するためにインバータが使用される。

また、家庭用電化製品であるエアコンや冷蔵庫や洗濯機に使われるモータは交流モータであり、交流モータは構造が簡単で故障しにくくメンテナンスが容易である反面、回転数は電源の周波数に比例して変化するため周波数が一定の家庭用電源は回転数が変えられない。このため、コンバータにより交流電流から変換された直流電流は、モータの回転速度を制御するため、インバータにより周波数や電圧の異なる交流電流に再度変換される。

このように直流電流を交流電流に変換するインバータは、大きな電力を使用することから大電力を制御する必要があり、大電力を駆動制御するためパワーモジュールが用いられる。該パワーモジュールは発熱を伴うので、熱を放出するための冷却フィンが用いられる。そして、パワーモジュールの温度が過大にならないように冷却フィンの温度を検出して温度監視を行うため、温度センサが設けられる。

従来のパワーモジュールの温度検出構造としては、例えば特許文献１に記載の発明が知られている。この発明は、基板に装着されたインバータの上面にヒートシンクを結合する一方、該インバータの下方であって基板の上には該インバータの温度を検出するための温度検出素子を設け、該温度検出素子とインバータの下面との間にシリコンシートやシリコングリスなどの熱伝達部材を介在させたものである。半導体の温度が熱伝達部材を伝って温度検出素子に伝達されるので、インバータの温度をより正確に検出できる。また、熱伝達部材あるいは包囲部材により温度検出素子の周囲を囲むことにより、温度検出素子の周囲の空気が流通して温度検出素子自体の温度が低下し、測定誤差が生じるのを防止している。
特開２００６−１３５１６７号公報

ところが、温度検出素子は基板上に設けるため基板の存在による熱影響を受け、更に半導体と温度検出素子との間に別個に熱伝達部材を設けるため部品数が多くなる。

一方、図３に示すように、冷却フィン１の上面にパワーモジュール２を載せ、該上面であってパワーモジュール２の近傍に温度検出素子３を設けた構成のものや、図４に示すように、パワーモジュール２の内部の半導体チップ４に対し、水平方向において半導体チップ４に近い範囲αの位置であって冷却フィン１の下面であるブレード１ａ側の温度Ｔｄの温度検出を行う構成のものがある。

しかし、図３の場合はパワーモジュール２に内臓される半導体チップからの距離が大きく、図４の場合はブレード１ａの間であって冷却空気が通過する冷却フィン１の表面に温度検出素子３が取り付けられているため、温度検出素子３自体が冷却されてしまい、正確に温度検出ができないという問題がある。

そこで本発明は、上記の課題を解決したパワーモジュールの温度検出構造を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、ブレードを有する冷却フィンの前記ブレードが形成された面とは反対側である取付面にパワーモジュールを貼り、該パワーモジュールを構成する半導体チップと対応する位置であって、前記ブレードどうしの間に前記取付面へ向かって凹部を形成し、該凹部に温度センサを埋設したことを特徴とする。

この発明によれば、冷却フィンであって半導体チップと対応する位置に温度センサを埋設したので、半導体チップから温度センサまでの距離が小さくなり、半導体チップそのものの温度に近い温度が検出される。また、温度センサは冷却フィンに埋設されているので、温度センサの近傍の空気が移動して温度センサ自体が冷却されることはなく、温度測定が高精度に行われる。

本発明に係るパワーモジュールの温度検出構造によれば、パワーモジュールを構成する半導体チップと対応する位置に凹部を形成し、該凹部に温度センサを埋設したので、半導体チップから温度センサまでの距離が小さくなり、半導体チップそのものの温度に近い温度が検出される。また、温度センサは冷却フィンに埋設されているので、温度センサの近傍の空気が移動して温度センサ自体が冷却されることはなく、高精度な温度測定を行なうことができる。

以下、本発明によるパワーモジュールの温度検出構造の実施の形態を説明する。

図１に示すように、複数のブレード１ａを有する冷却フィン１が設けられており、該ブレード１ａが形成された下面とは反対側の上面である取付面１ｂに、パワーモジュール２が貼り付けられている。該パワーモジュール２は、半導体チップ４を第１ケース５ａと第２ケース５ｂとからなるケース５の内部に収容したものである。

そして、図１の左右方向および紙面と直角な方向により構成される面における半導体チップ４と対応する位置であって、前記ブレード１ａどうしの間に、前記取付面１ｂへ向かって凹部１ｃが形成され、該凹部１ｃに温度センサ３が埋設されている。該凹部１ｃにはモールド樹脂６が流し込まれて密封されている。

次に、パワーモジュールの温度検出構造の作用を図２に基づいて説明する。

図２は、図１における半導体チップ４と温度センサ３との近傍を拡大して示す断面図である。パワーモジュール２内の半導体チップ４と第２ケース５ｂとの接合部である「ａ点」の温度Ｔａは、絶対に定格を越えないようにする必要があるが、Ｔａを直接に測定することは不可能である。そこで、Ｔａを間接的に測定できるように監視する必要がある。図２において、半導体チップ４の直下に位置する第２ケース５ｂの外表面「ｂ点」の温度をＴｂ、凹部１ｃの上面である「ｃ点」の温度をＴｃ、冷却フィン１の外表面である「ｄ点」の温度をＴｄ、外部空間である「ｅ点」の温度をＴｅとすると、「ａｂ間」の温度変化はΔＴａｂ、「ｂｃ間」の温度変化はΔＴｂｃ、「ｂｄ間」の温度変化をΔＴｂｄ、「ｄｅ間」の温度変化はΔＴｄｅで表わすことができる。

図４の場合は温度センサ３により「ｄ点」の温度であるＴｄが検出されることから、接合部「ａ点」の温度Ｔａは、「ｄ点」の温度であるＴｄと「ａｄ間」の温度変化である（ΔＴｂｄ＋ΔＴａｂ）とを加えた値になり、
Ｔａ＝Ｔｄ＋ΔＴｂｄ＋ΔＴａｂ・・・（１）
で表わされる。これに対し、図１の場合は温度センサ３により「ｃ点」の温度であるＴｃが検出されるので、接合部である「ａ点」の温度Ｔａは、「ｃ点」の温度であるＴｃと「ａｃ間」の温度変化である（ΔＴｂｃ＋ΔＴａｂ）とを加えた値になり、
Ｔａ＝Ｔｃ＋ΔＴｂｃ＋ΔＴａｂ・・・（２）
で表わされる。（１）＝（２）だから、
Ｔｄ＋ΔＴｂｄ＋ΔＴａｂ＝Ｔｃ＋ΔＴｂｃ＋ΔＴａｂ
Ｔｄ＋ΔＴｂｄ＝Ｔｃ＋ΔＴｂｃ・・・（３）
となる。

ここで熱源である半導体チップ４からの距離が大きいほど温度変化が大きくΔＴｂｄ＞ΔＴｂｃであり、Ｔｃ＞Ｔｄとなる。従って、図１のように、半導体チップ４により「ｃ点」の温度Ｔｃを測る方が、図４のように「ｄ点」の温度Ｔｄを測るよりも温度が高く、半導体チップ４の温度により近い温度を測定することができる。

近年、パワーモジュールの温度検出構造に対するコストダウンの要求が大きく、この要求に答えるため、今までよりもＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）定格を下げ、パワーモジュールの性能を最大限まで引き出して使わなくてはならない。そして、パワーモジュールの信頼性を確保するためには、半導体チップ４と第２ケース５ｂとの接合部である「ａ点」の温度Ｔａをこれまで以上に正確に推定し、パワーモジュール２が危険温度になったら直ちに装置を停止させる保護機能が必要になる。本発明はこの要求を満たすものである。

パワーモジュールの温度検出構造を示す断面図（実施の形態）。作用説明図（実施の形態）。パワーモジュールの温度検出構造を示す構成図（従来）。パワーモジュールの温度検出構造を示す構成図（従来）。

符号の説明

１…冷却フィン
１ａ…ブレード
１ｂ…取付面
１ｃ…凹部
２…パワーモジュール
３…温度センサ
４…半導体チップ
６…モールド樹脂

Claims

ブレードを有する冷却フィンの前記ブレードが形成された面とは反対側である取付面にパワーモジュールを貼り、該パワーモジュールを構成する半導体チップと対応する位置であって、前記ブレードどうしの間に前記取付面へ向かって凹部を形成し、該凹部に温度センサを埋設したことを特徴とするパワーモジュールの温度検出構造。