JP2015198188A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のスイッチング素子における電流の偏りを検出することができる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 第１導体板と、第２導体板と、前記第１導体板と前記第２導体板の間に接続されている第１スイッチング素子と、前記第１導体板と前記第２導体板の間に、前記第１スイッチング素子に対して並列に接続されている第２スイッチング素子と、前記第１導体板と前記第２導体板の間であって第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の間に配置されており、前記第１導体板と前記第２導体板から絶縁されている導体と、前記導体に流れる誘導電流を検出する電流検出器を有する半導体モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。

特許文献１には複数のスイッチング素子を有する半導体モジュールが開示されている。

特開２００６−３１９０５９号公報

並列に接続された複数のスイッチング素子を共通のゲート信号により制御する場合には、何れかのスイッチング素子に電流が偏ると、そのスイッチング素子で発熱量が大きくなり問題となる。

本発明の半導体モジュールは、第１導体板と、第２導体板と、前記第１導体板と前記第２導体板の間に接続されている第１スイッチング素子と、前記第１導体板と前記第２導体板の間に、前記第１スイッチング素子に対して並列に接続されている第２スイッチング素子と、前記第１導体板と前記第２導体板の間であって第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の間に配置されており、前記第１導体板と前記第２導体板から絶縁されている導体と、前記導体に流れる誘導電流を検出する電流検出器を有する。

この構成では、第１スイッチング素子に流れる電流と第２スイッチング素子に流れる電流が同じであれば、導体において、第１スイッチング素子に流れる電流に起因して生じる磁場と第２スイッチング素子に流れる電流に起因して生じる磁場とが打ち消し合う。このため、導体では高い磁場が発生せず、導体にほとんど誘導電流が流れない。これに対し、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のいずれかに電流が偏ると、通電時に導体で磁場が増加し、導体に誘導電流が流れる。したがって、電流検出器によって誘導電流を検出することで、スイッチング素子における電流の偏りを検出することができる。

半導体モジュール１０の縦断面図。 半導体モジュール１０の上面図。 半導体モジュール１０の回路図。

図１、２に示す半導体モジュール１０は、下部電極板１２、スイッチング素子１４、１６、スペーサブロック１８、２０、上部電極板２２、磁束遮蔽板２４、樹脂層２６及び電流検出器２８を有している。

下部電極板１２は、金属により構成されている。下部電極板１２には、コレクタ配線１２ａ（図２参照）が接続されている。下部電極板１２は、コレクタ配線１２ａによって外部の回路に接続されている。なお、下部電極板１２は、スイッチング素子１４、１６から熱を逃がす放熱板としても機能する。

本実施例のスイッチング素子１４、１６は、ＩＧＢＴである。但し、スイッチング素子１４、１６として、ＭＯＳＦＥＴ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。スイッチング素子１４は、半導体基板と、半導体基板の下面に形成されたコレクタ電極と、半導体基板の上面に形成されたエミッタ電極と、半導体基板の上面に形成されたゲート電極を有している。スイッチング素子１６は、半導体基板と、半導体基板の下面に形成されたコレクタ電極と、半導体基板の上面に形成されたエミッタ電極と、半導体基板の上面に形成されたゲート電極を有している。スイッチング素子１４、１６の半導体基板の材料としては、ＳｉやＳｉＣ等を用いることができる。スイッチング素子１４のコレクタ電極（すなわち、下面の電極）は、はんだによって下部電極板１２に接続されている。スイッチング素子１６のコレクタ電極（すなわち、下面の電極）は、はんだによって下部電極板１２に接続されている。すなわち、スイッチング素子１６は、下部電極板１２上に、スイッチング素子１４と同じ向きに実装されている。スイッチング素子１４、１６は、同一平面上（すなわち、下部電極板１２の上面上）に実装されている。

スペーサブロック１８は、金属製のブロックである。スペーサブロック１８の下面は、はんだによってスイッチング素子１４のエミッタ電極（上面の電極）に接続されている。

スペーサブロック２０は、金属製のブロックである。スペーサブロック２０の下面は、はんだによってスイッチング素子１６のエミッタ電極（上面の電極）に接続されている。

上部電極板２２は、金属により構成されている。上部電極板２２の下面は、はんだによってスペーサブロック１８、２２の上面に接続されている。すなわち、上部電極板２２は、スイッチング素子１４、１６のエミッタ電極に電気的に接続されている。上部電極板２２には、エミッタ配線２２ａ（図２参照）が接続されている。上部電極板２２は、エミッタ配線２２ａによって外部の回路に接続されている。なお、上部電極板２２は、スイッチング素子１４、１６から熱を逃がす放熱板としても機能する。

磁束遮蔽板２４は、金属板２４ａと、金属板２４ａの表面を覆う絶縁膜２４ｂにより構成されている。金属板２４ａは、透磁率及び導電率が高い金属により構成されている。例えば、金属板２４ａは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等によって構成されている。磁束遮蔽板２４は、下部電極板１２と上部電極板２２の間に挟まれた状態で固定されている。金属板２４ａは、絶縁膜２４ｂによって下部電極板１２及び上部電極板２２から絶縁されている。すなわち、金属板２４ａは、スイッチング素子１４、１６を有する回路から絶縁されている。

スイッチング素子１４、１６のゲート電極には、ゲート配線３０（図２参照）が接続されている。ゲート配線３０は、外部のゲート駆動回路７０（図３参照）に接続されている。

電流検出器２８のプラス端子とマイナス端子のそれぞれは、磁束遮蔽板２４の金属板２４ａに接続されている。電流検出器２８と金属板２４ａによって閉回路が形成されている。電流検出器２８は、この閉回路に流れる誘導電流を検出する。

樹脂層２６は、下部電極板１２と上部電極板２２の間に形成されている。樹脂層２６は、スイッチング素子１４、１６、スペーサブロック１８、２０及び磁束遮蔽板２４の表面を覆っている。このように樹脂層２６の中に磁束遮蔽板２４が埋め込まれることで、半導体モジュール１０の小型化が可能となる。

図３は、半導体モジュール１０の回路図を示している。図３に示すように、スイッチング素子１４、１６は、下部電極板１２と上部電極板２２の間に並列に接続されている。スイッチング素子１４、１６のゲート電極は、ゲート駆動回路７０に接続されている。スイッチング素子１４、１６のゲート電極には、共通のゲート信号が入力される。すなわち、スイッチング素子１４がオンしているときにスイッチング素子１６もオンしており、スイッチング素子１４がオフしているときにスイッチング素子１６もオフしている。

スイッチング素子１４、１６がオンすると、図１に示すように、スイッチング素子１４、１６に電流５０、５２が流れる。すなわち、スイッチング素子１４、１６に、同じ方向（下から上）に電流が流れる。スイッチング素子１４に流れる電流５０に起因して、スイッチング素子１４の周囲に周方向に図２に示す磁場６０が発生する。また、スイッチング素子１６に流れる電流５２に起因して、スイッチング素子１６の周囲に周方向に磁場６２が発生する。磁束遮蔽板２４の金属板２４ａは、磁束を吸収することで、磁場６０がスイッチング素子１６側の領域に影響することを抑制するとともに、磁場６２がスイッチング素子１４側の領域に影響することを抑制する。また、磁束遮蔽板２４（すなわち、金属板２４ａ）は、スイッチング素子１４とスイッチング素子１６の中間点に配置されている。したがって、金属板２４ａ内では、磁場６０と磁場６２が互いに打ち消し合う。これによって、スイッチング素子１４の電流経路とスイッチング素子１６の電流経路の間における相互インダクタンスが低減されている。

何らかの原因によって、スイッチング素子１４、１６がオンしているときに、スイッチング素子１４、１６に流れる電流５０、５２のバランスが崩れる場合がある。すなわち、電流５０が電流５２よりも大きくなる場合や、電流５２が電流５０よりも大きくなる場合がある。

例えば、スイッチング素子１４に流れる電流５０がスイッチング素子１６に流れる電流５２よりも大きいと、磁場６０が磁場６２よりも大きくなる。このため、スイッチング素子１４、１６がオンしているときに、磁束遮蔽板２４の金属板２４ａ内で磁場６０が磁場６２によって完全には打ち消されない。このため、金属板２４ａ内で比較的大きい磁場が発生する。したがって、スイッチング素子１４、１６のスイッチングに応じて、金属板２４ａ内の磁場が大きく変化するようになる。金属板２４ａ内で磁場が変化すると、金属板２４ａ内で誘導起電力が発生する。すると、金属板２４ａと電流検出器２８によって構成されている閉回路に誘導電流が流れる。したがって、電流検出器２８で所定値以上の電流が検出される。ゲート駆動回路７０は、電流検出器２８の検出値が所定値以上となると、スイッチング素子１４、１６をオフさせる。これによって、スイッチング素子１４に偏って大きい電流が流れることが防止され、スイッチング素子１４が保護される。また、電流５２が電流５０よりも大きい場合は、金属板２４ａと電流検出器２８によって構成されている閉回路に、上記の場合とは逆方向に誘導電流が流れる。この場合も、電流検出器２８によって電流が検出され、ゲート駆動回路７０がスイッチング素子１４、１６を停止させる。これによって、スイッチング素子１６が保護される。

以上に説明したように、この半導体モジュール１０によれば、スイッチング素子１４の電流５０とスイッチング素子１６の電流５２の間にアンバランスが生じた場合に、スイッチング素子１４、１６をオフさせることができる。これによって、スイッチング素子１４、１６に過剰な負荷が加わることを防止することができる。なお、上述した実施形態では、アンバランスが生じたときにスイッチング素子１４、１６の両方をオフさせた。しかしながら、過電流が生じているスイッチング素子のみをオフさせるようにしてもよい。また、電流検出器２８が所定値以上の電流を検出したときに、ゲート電圧を調節する等、上記とは異なる動作を実行するようにしてもよい。

なお、上述した実施例では、磁束遮蔽板２４が金属板２４ａと絶縁層２４ｂによって構成されていた。しかしながら、磁束遮蔽板２４に代えて、網状の金属ネットと、金属ネットの表面を覆う絶縁層からなる磁束遮蔽ネットによって構成されていてもよい。このような構成によれば、樹脂層２６を形成するときに流動樹脂が磁束遮蔽ネットを通過できるので、樹脂層２６を容易に形成することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：下部電極板
１２ａ：コレクタ配線
１４、１６：スイッチング素子
１８、２０：スペーサブロック
２２：上部電極板
２２ａ：エミッタ配線
２４：磁束遮蔽板
２４ａ：金属板
２４ｂ：絶縁膜
２６：樹脂層
２８：電流検出器
３０：ゲート配線
７０：ゲート駆動回路

Claims (1)

1. 第１導体板と、
   第２導体板と、
   前記第１導体板と前記第２導体板の間に接続されている第１スイッチング素子と、
   前記第１導体板と前記第２導体板の間に、前記第１スイッチング素子に対して並列に接続されている第２スイッチング素子と、
   前記第１導体板と前記第２導体板の間であって第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の間に配置されており、前記第１導体板と前記第２導体板から絶縁されている導体と、
   前記導体に流れる誘導電流を検出する電流検出器、
   を有する半導体モジュール。

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