JP2011228934A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護の判定を高精度に行うパワーモジュールの提供を目的とする。
【解決手段】本発明のパワーモジュールは、主電極及びセンス電極を有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗Ｒ_sと、センス抵抗Ｒ_sの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、主電極を主端子Ｅに接続する第２配線５と、第２配線５の主電極側を第１配線４のセンス抵抗Ｒ_s側に接続する第１電流経路６と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子Ｅ側に接続する第２電流経路７と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体デバイスの短絡電流保護回路を備えたパワーモジュールに関する。

従来のパワーモジュールに搭載されるＩＧＢＴなどの半導体デバイスの短絡電流保護回路は、コレクタ電流のうち、分流されたセンス電流Ｉ_Sをセンス抵抗Ｒ_Sで電圧変換する。そして、この電圧値Ｖ_Sが所定の閾値に達したかどうかをコンパレータなどで比較し、過電流保護レベルに到達したかを判定している（例えば特許文献１）。

特開平６−１２０７８７号公報

センス電流Ｉ_Sは、半導体デバイスの製造プロセス時に、エミッタ電流Ｉ_Eとセンス電流Ｉ_Sが所定の比率になるように設計されているが、半導体デバイスの製造プロセスのばらつきによって、センス電流Ｉ_Sは一定のばらつきを持つ。その傾向は、センス電流Ｉ_Sの値が小さいほどばらつきが小さく、大きいほどばらつきが大きい。センス抵抗Ｒ_Sの両端の電圧Ｖ_SはＶ_S＝Ｉ_S×Ｒ_Sであるから、Ｉ_SがばらつくとＶ_Sもばらつくことになり、過電流保護の判定精度が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、高精度に過電流保護の判定を行うパワーモジュールの提供を目的とする。

本発明のパワーモジュールは、主電極及びセンス電極を有する半導体デバイスと、一端が半導体デバイスのセンス電極に接続され、半導体デバイスの主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗と、センス抵抗の他端を制御グランドに接続する第１配線と、主電極を主端子に接続する第２配線と、第２配線の主電極側を第１配線のセンス抵抗側に接続する第１電流経路と、第１配線の制御グランド側を第２配線の主端子側に接続する第２電流経路と、を備える。

本発明のパワーモジュールでは、第２配線の主電極側を第１配線のセンス抵抗側に接続する第１電流経路と、第１配線の制御グランド側を第２配線の主端子側に接続する第２電流経路と、を備える。センス抵抗における電圧降下と第１電流経路によって分流された主電流による電圧降下の合計値を閾値と比較することにより、過電流保護の判定においてセンス電流のばらつきを軽減することが出来る。

前提技術に係るパワーモジュールの回路図である。 Ｉ_C−Ｉ_S特性を示す図である。 Ｉ_C−Ｖ_S特性を示す図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。 Ｉ_C−Ｖ_S特性を示す図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの回路図である。 実施の形態３に係るパワーモジュールの回路図である。

＜前提技術＞
本発明の前提技術となる短絡電流保護回路を備えたパワーモジュールの回路図を図１に示す。図１において、パワーモジュールは、半導体デバイス１たるＩＧＢＴ１と、ＩＧＢＴ１のセンス電極Ｓ−パワーＧＮＤ間に接続されたセンス抵抗Ｒ_Sと、センス抵抗Ｒ_SのＩＧＢＴ１側電位Ｖ_Sを閾値Ｖ_SCと比較するコンパレータ３と、コンパレータ３の比較結果によってコレクタ電流Ｉ_Cが過電流保護レベルに達したか否かを検出する過電流保護レベル検出手段２とを備えている。なお、ＩＧＢＴのコレクタ電極−エミッタ電極間には逆耐圧を担うダイオードが接続される。

センス電極Ｓはコンパレータ３の入力に接続され、コンパレータ３のもう一方の入力は電源Ｖ_SCを介して制御ＧＮＤに接続される。コンパレータ３の出力は過電流保護レベル検出手段２に接続され、Ｖ_Sが閾値Ｖ_SCを超えると過電流保護レベルに達したと判定する。

センス抵抗Ｒ_Sを流れるセンス電流Ｉ_Sは、エミッタ電流Ｉ_Eと所定の比率になるように設計されるが、図２に示すように、半導体デバイス１の製造プロセスのばらつきに起因するばらつきが生じる。なお図２の横軸のコレクタ電流Ｉ_CはＩ_E＋Ｉ_Sと等しい。そのため、図３に示すように、センス抵抗Ｒ_SのＩＧＢＴ１側電位Ｖ_S＝Ｒ_S×Ｉ_Sにもばらつきが生じ、コンパレータ３で閾値Ｖ_SCと比較するにあたり誤差が生じてしまう。センス電流Ｉ_Sのばらつきは、Ｉ_Sの値が大きくなるほど大きくなる傾向があり、Ｉ_Sの値が小さいとばらつきの度合いも小さい。

（実施の形態１）
そこで、本実施の形態のパワーモジュールでは、電圧降下Ｖ_S＝Ｒ_S×Ｉ_Sにバイアスをかけることにより、Ｉ_sのばらつきを緩和することにした。

＜構成＞
図４に、実施の形態１のパワーモジュールの回路図を示す。本実施の形態のパワーモジュールでは、前提技術で示したパワーモジュールの構成と異なり、センス抵抗Ｒ_Sを制御グランドに第１配線４にて接続する。そして、ＩＧＢＴ１のエミッタ電極とパワーモジュールのエミッタ端子Ｅとの間の第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗Ｒ_S側に接続する（電流パス６）。さらに、第１配線４の制御グランド側と第２配線５のエミッタ端子Ｅ側とを接続する（電流パス７）。これ以外の構成は前提技術に係るパワーモジュールと同一であり、図４において図１と同一の構成要素には同一の番号を付している。

すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、エミッタ電極（主電極）及びセンス電極Ｓを有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流Ｉ_Sを電圧変換するセンス抵抗Ｒ_Sと、センス抵抗Ｒ_Sの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、エミッタ電極をエミッタ端子Ｅ（主端子）に接続する第２配線５と、第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗Ｒ_S側に接続する電流パス６（第１電流経路）と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子側に接続する電流パス７（第２電流経路）とを備える。

＜動作＞
エミッタ電極からエミッタ端子Ｅに流れるエミッタ電流Ｉ_Eが電流パス６で分流され、電流パス６を流れる分流成分をＩ_E2、第２配線を流れる電流をＩ_E1とすると、センス抵抗Ｒ_SのＩＧＢＴ側電位は、Ｉ_E2が流れる電流経路中のインピーダンスによってかさ上げされる。

第１配線４中のインピーダンスをＺ₂（抵抗Ｒ、リアクタンスＬ、容量Ｃをそれぞれ含む）とすると、第１配線４の両端にはＺ₂×Ｉ_E2の電圧降下が発生するため、センス抵抗Ｒ_SのＩＧＢＴ１側電位はこの分だけかさ上げされて、Ｒ_S×Ｉ_S＋Ｚ₂×Ｉ_E2となる。そのため、図５に点線で示した電流パスＡ，Ｂを設けずＶ_S＝Ｒ_S×Ｉ_Sである場合に比べ、実線で示すように、Ｖ_SがＶ_SCに到達する時点でのＩ_Sのばらつきが小さくなり、過電流保護レベルの検出を高精度化できる。

なお、図４では第２配線のインピーダンスを示していないが、図６に示すようにこれをＺ₁とすると、Ｉ_E1、Ｉ_E2はそれぞれ

と表される。すなわち、

である。

また、Ｉ_E2側インピーダンスＺ₂に発生する電圧効果Ｖ₂は（２）式より、

であるから、Ｚ₁＜＜Ｚ₂とすればＶ₂≒Ｚ₁Ｉ_Eとなる。

例えばＺ₁＝１ｍΩ、Ｚ₂＝１Ω、Ｉ_E＝１００Ａとすれば、（１）式よりＩ_E1＝９９．９Ａ、（２）式よりＩ_E2＝０．１Ａとなり、Ｚ₂に発生する電圧降下Ｖ₂はＶ₂≒９９．９ｍＶである。この電圧降下Ｖ₂が、図５に示した電圧のかさ上げ分となる。なお、Ｖ₂にはセンス電流Ｉ_Sによる影響を考慮していないが、通常Ｉ_S＜＜Ｉ_Eであるためこれは無視することが出来る。

なお、本実施の形態において電流パス６及び電流パス７を、パワーモジュールにおいて部品を配置するプリント基板の銅パターンで構成すれば、新規に電子部品を搭載することなく前述のパワーモジュールを組み立てることが出来る。

また、半導体デバイス１は、ＩＧＢＴの他、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ，ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、ダイオードのいずれかを含むものであっても良い。また、ダイオードの材料を炭化珪素（ＳｉＣ）とする、さらには半導体デバイス１自体の材料を炭化珪素（ＳｉＣ）とすることもできる。ＳｉＣは耐電圧性が高く許容する電流密度を大きく出来るので、ダイオード、あるいは半導体デバイスを小型化することができ、パワーモジュールを小型化することが可能である。

＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールによれば、以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、エミッタ電極（主電極）及びセンス電極Ｓを有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流Ｉ_Sを電圧変換するセンス抵抗Ｒ_Sと、センス抵抗Ｒ_Sの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、エミッタ電極をエミッタ端子Ｅ（主端子）に接続する第２配線５と、第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗Ｒ_S側に接続する電流パス６（第１電流経路）と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子側に接続する電流パス７（第２電流経路）とを備える。第１配線４のインピーダンスＺ₂に生じる電圧降下分だけ、センス抵抗Ｒ_Sの半導体デバイス側電位Ｖ_Sが上昇するため、センス電流Ｉ_SのばらつきがＶ_Sに与える影響が小さくなり、過電流保護レベルの検出を高精度に行う事が出来る。

また、電流パス６及び電流パス７は、プリント基板の銅パターンで形成するものとする。これにより、新規に電子部品を搭載することなくパワーモジュールを組み立てることが出来る。

さらに、半導体デバイス１は、ＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードのいずれかで構成される。これら様々な半導体デバイスで構成されたパワーモジュールにおいて、過電流保護レベルの検出を高精度に行う事が出来る。

また、半導体デバイスは１、ＳｉＣを材料とすることを特徴とする。ＳｉＣは耐電圧性が高く許容する電流密度を大きくできるため、半導体デバイスの小型化、更にはパワーモジュールの小型化が可能である。

（実施の形態２）
＜構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールの構成を図７に示す。本実施の形態のパワーモジュールは、実施の形態１のパワーモジュールの構成において電流パス６，７をそれぞれ抵抗器Ｒ_A、Ｒ_Bで構成したものである。これ以外の構成は図４に示した実施の形態１と同様であり、説明を省略する。なお、図７において図４と同一の構成要素には同一の番号を付している。

このような構成にすることによって、任意のインピーダンスを設定することができるため、回路定数の調整を容易に行ってパワーモジュールを組み立てることが出来る。

＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールでは、以下の効果を奏する。すなわち、第１電流経路６及び第２電流経路７を抵抗器Ｒ_A、Ｒ_Bで構成するため、任意のインピーダンスを設定することができ、回路定数の調整を容易に行ってパワーモジュールを組み立てることが出来る。

（実施の形態３）
＜構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールの構成を図８に示す。本実施の形態のパワーモジュールは、複数の半導体デバイス１ａ，１ｂを一つのパワーモジュールに搭載したものである。半導体デバイス１ａに対して、実施の形態１で述べたのと同様のセンス抵抗Ｒｓ、第１配線４ａ、第２配線５ａ、電流パス６ａ，７ａが設けられ、半導体デバイス１ｂに対しても同様にセンス抵抗Ｒｓ、第１配線４ｂ、第２配線５ｂ、電流パス６ｂ，７ｂが設けられる。なお、図８において図４と同一の構成要素には同一の番号を付している。

このように複数の半導体デバイスを一つのパッケージにすることによって、パワーモジュールの小型化を実現することができる。

なお、図９では２素子入りパッケージの例を示したが、３個以上の素子を備える構成としても良い。

＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールでは以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは複数の半導体デバイス１を備えることにより、パワーモジュールの小型化を実現する。

１，１ａ，１ｂ 半導体デバイス、２ 過電流保護レベル検出手段、３ コンパレータ、４，４ａ，４ｂ 第１配線、５，５ａ，５ｂ 第２配線、６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ 電流パス。

Claims (6)

1. 主電極及びセンス電極を有する半導体デバイスと、
   一端が前記半導体デバイスの前記センス電極に接続され、前記半導体デバイスの主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗と、
   前記センス抵抗の他端を制御グランドに接続する第１配線と、
   前記主電極を主端子に接続する第２配線と、
   前記第２配線の前記主電極側を前記第１配線の前記センス抵抗側に接続する第１電流経路と、
   前記第１配線の前記制御グランド側を前記第２配線の前記主端子側に接続する第２電流経路とを備えることを特徴とする、パワーモジュール。
2. 前記第１電流経路及び前記第２電流経路は、プリント基板の銅パターンで形成されることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第１電流経路及び前記第２電流経路は抵抗器で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
4. 複数の前記半導体デバイスを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
5. 前記半導体デバイスは、ＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードのいずれかで構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
6. 前記半導体デバイスは、ＳｉＣを材料とすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール。

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