JP2019135819A - パワー半導体デバイス、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができるパワー半導体モジュール、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システムを提供する。【解決手段】第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１が、上流端が第３の回路体４３における、順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂと逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの間に接続され、下流端が第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２に接続され、第１の負荷回路系２０の発電機２１から第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１を経由して第１の負荷回路系２０の発電機２１に電源供給される経路において、回路体４３における逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａと、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３と、が直列に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などの車両に搭載され、電源線の短絡又は開放を切り替えるパワー半導体デバイス、及びこのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システムに関する。

自動車などの車両に搭載される車両用電源供給システムとしては、電源と負荷との間に回路保護機構（ヒューズ）として開閉スイッチを設け、この開閉スイッチを、例えば従来リレー回路に代えてパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子からなるパワー半導体デバイスで設けるものが知られる（例えば、特許文献１参照）。このパワー半導体デバイスは、並列して接続された複数の半導体素子から構成される。このように、車両の電装においてパワー半導体デバイスを採用することにより、電源箱などの高機能化や軽量化が期待されている。

特開２０１７−１１４３０３号公報

その一方で、この種のパワー半導体デバイスの車両への採用については、ＩＳＯ２６２６２（機能安全）を考慮しなければならない。すなわち、採用するシステムによっては、当該ＩＳＯの機能安全の要件を満たすためにシステムの冗長性に配慮した設計を行う必要がある。

ここで、図６を参照して、従来の、回路保護機構にパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム（以下、従来例とも言う。）６０について説明する。図６は、従来の車両用電源供給システム６０を説明する回路概略図である。
なお、図６では、模式的にパワーＭＯＳＦＥＴ７３，８３，８５，９１Ａ，９１Ｂ，９２Ａ，９２Ｂ，９３Ａ，９３Ｂを表現して示しているが、制御ユニット（不図示）からそれぞれオンオフ制御可能なように、これらパワーＭＯＳＦＥＴ７３，８３，８５，９１Ａ，９１Ｂ，９２Ａ，９２Ｂ，９３Ａ，９３Ｂそれぞれに所定の電圧を印加するための所定の電気回路（不図示）も設けられている。

図６に示すように、従来例の車両用電源供給システム６０は、第１の負荷回路系７０と、第２の負荷回路系８０と、パワー半導体モジュール９０と、を有する。

第１の負荷回路系７０は、オルタネータなどの発電機７１を電源として含み、また負荷として発電機やエンジンなどの付設されるファンなどの負荷７２を有し、さらに電源線として発電機７１と当該負荷７２とを接続するための電源線Ｗ７１を有する。第１の負荷回路系７０では、発電機７１の下流回路に当該負荷７２が接続され、電源線Ｗ７１を介して発電機７１から当該負荷７２に電気が供給される。

第２の負荷回路系８０は、鉛バッテリなどの蓄電池８１を電源として含み、また負荷としてアンチロック・ブレーキ・システムなどの第１の負荷８２と、車内エアコンなどの第２の負荷８４と、を有し、さらに電源線として蓄電池８１と第１及び第２の負荷８２，８４とを接続する第１及び第２の電源線Ｗ８１，Ｗ８２を有する。第２の負荷回路系８０では、蓄電池８１又は発電機７１の下流回路に第１及び第２の負荷８２，８４が接続され、第１又は第２の電源線Ｗ８１，Ｗ８２を介して蓄電池８１又は発電機７１から第１及び第２の負荷８２，８４に電気が供給される。また、第１及び第２の電源線Ｗ８１，Ｗ８２は蓄電池８１又は発電機７１に対し並列に配置される。

そして、第１の負荷回路系７０の電源線Ｗ７１、及び第２の負荷回路系８０の第１及び第２の電源線Ｗ８１，Ｗ８２には、逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ７３，８３，８５がそれぞれ配設される。これら逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ７３，８３，８５は、電源７１，８１から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態となる。すなわち、逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ７３，８３，８５は、スイッチング素子として機能し、制御ユニットによりオンオフ制御されてオン状態のときに短絡して、電源７１，８１から流れる電気を通電させる。

また、パワー半導体モジュール９０は、３つの回路体９１，９２，９３が３列に並列に接続されて構成される。各回路体９１，９２，９３は、直列に接続された順方向パワーＭＯＳＦＥＴ９１Ｂ，９２Ｂ，９３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ９１Ａ，９２Ａ，９３Ａをそれぞれ一組（１ユニット）にして構成される。そのため、パワー半導体モジュール９０は、回路保護機構として電源７１，８１からの供給される大電流から第１又は第２の負荷回路系７０，８０を保護する機能を有することになる。

ところで、このように半導体素子、パワー半導体デバイスを含んで構成される車両用電源供給システム６０に対し、機能安全性を向上させるため冗長設計をしようとすると、別経路を設け、さらに当該経路にも半導体素子を配設することになる。例えば、機能安全性を要求する第２の負荷回路系８０の第１の負荷８２に関し、電気回路の一部故障に備えて別経路でも電気供給可能としようとする場合には、通常使用する第３の電源線を新たに設け、当該第３の電源線に一対のパワーＭＯＳＦＥＴを有する回路体をさらに設けることがまず検討される。

しかしながら、このような検討はシステムの冗長性を実現できるものの、半導体素子などの部品点数が増える可能性がある。また、近年、自動運転システムなどの実装が進展しており、機能安全性を要求する装置や機器（負荷）が増大傾向にあり、これら負荷の機能安全性の確保を踏まえると、かかる半導体素子の部品点数の増加傾向は顕著である。

そこで、本発明者らは、かかる状況において半導体素子の部品点数を削減すべく鋭意検討を行った。その結果、本発明者らは、回路保護機構として設けられるパワー半導体モジュールに着目し、当該モジュールに内装されるパワーＭＯＳＦＥＴを活用して部品点数を削減できる可能性を見出したのである。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができるパワー半導体デバイス、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システムを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 直列に接続された順方向パワーＭＯＳＦＥＴ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴを一組とする回路体が複数並列に接続された、電源から供給される大電流から回路を保護する半導体ヒューズとして機能するパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールを介して、電源供給される負荷と前記電源とを接続する第１の電源線と、
前記第１の電源線に設けられた、前記電源から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、
前記パワー半導体モジュールを介して、前記負荷と前記電源とを接続する第２の電源線と、
前記第２の電源線に設けられた、前記電源から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、
を備え、
前記第１の電源線が、一端が前記回路体のうちのいずれか１つにおける、前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴと前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの間に接続され、他端が前記負荷に接続され、
前記電源から前記第１の電源線を経由して前記負荷に電源供給される経路において、前記回路体における前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、が直列に接続される
ことを特徴とするパワー半導体デバイス。
（２） 前記回路体の前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴ又は前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ、又は前記第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの何れかが故障した場合に、検知されたその故障状況に応じて、故障したパワーＭＯＳＦＥＴ以外のパワーＭＯＳＦＥＴをそれぞれオンオフ制御する制御部をさらに有する
ことを特徴とする（１）に記載のパワー半導体デバイス。
（３） 上記（１）又は（２）に記載のパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム。

上記（１）のパワー半導体デバイスの構成によれば、システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができる。
上記（２）のパワー半導体デバイスの構成によれば、複数のパワーＭＯＳＦＥＴのうち一部が故障して通常の電源線から電気供給が不能になっても、別経路から電気を迅速且つ適切に供給することができる。
上記（３）の車両用電源供給システムの構成によれば、システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができる車両用電源供給システムを提供することができる。

本発明のパワー半導体デバイス、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システムによれば、複数の回路体のうち１つの逆方向パワーＭＯＳＦＥＴを活用（流用）して、第１の電源線を含む通常使用の電気経路にスイッチング機能を実現することができる。これにより、システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。さらに、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細はさらに明確化されるだろう。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用電源供給システムを説明する概略回路構成図である。 図２は、図１に示す第２の負荷回路系の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴにおいてオン状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。 図３は、図１に示す第２の負荷回路系の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴにおいてオフ状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。 図４は、図１に示す第３の回路体の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの両方においてオン状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。 図５は、図１に示す第３の回路体の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの両方においてオフ状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。 図６は、従来の車両用電源供給システムを説明する概略回路構成図である。

本発明の車両用電源供給システムに関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜車両用電源供給システムの回路構成について＞
図１を参照して、本実施形態の車両用電源供給システム１０の回路構成について説明する。図１は、本実施形態に係る車両用電源供給システム１０を説明する概略回路構成図である。
なお、図１では、模式的にパワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂを表現して示しているが、制御ユニット（制御部）５０からそれぞれオンオフ制御可能なように、パワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂに所定の電圧を印加するための所定の電気回路（不図示）も設けられている。図２〜図５についても同様である。また、図１〜図５中の白抜きの矢印は、第１の負荷回路系２０の発電機（電源）２１からの電気の経路（流れ）を意味している。

図１に示すように、本実施形態の車両用電源供給システム１０は、第１の負荷回路系２０と、第２の負荷回路系３０と、パワー半導体モジュール４０と、制御ユニット５０と、を有する。

第１の負荷回路系２０は、オルタネータなどの発電機２１を電源として含み、また負荷として発電機やエンジンなどの付設されるファンなどの負荷２２と、発電機２１と当該負荷２２とを接続するための電源線Ｗ２１と、を有する。第１の負荷回路系２０では、発電機２１の下流回路に当該負荷２２が接続され、電源線Ｗ２１を介して発電機２１から当該負荷２２に電気が供給される。
なお、第１の負荷回路系の負荷２２は、ファンの他に発電機２１関連の電気を要する装置や機器などが該当する。また、発電機２１及び負荷２２はその負極側で接地（グランド）される。

第２の負荷回路系３０は、鉛バッテリなどの蓄電池３１を電源として含み、また負荷としてアンチロック・ブレーキ・システムなどの第１の負荷３２と、車内エアコンなどの第２の負荷３５と、を有する。
なお、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２は、アンチロック・ブレーキ・システムの他に機能安全性の要求が高いシステム、例えばエンジン系負荷であるインジェクタ・システムなどが該当する。また、第２の負荷回路系３０の第２の負荷３５は、車内エアコンの他、蓄電池３１関連の安全機能性の要求が低いシステム、ＡＣ／ＤＣコンバータ、空調ファンなどが該当する。

蓄電池３１は、バッテリ容量が低下しないように、オルタネータなどの発電機２１により充電される。また、蓄電池３１、第１及び第２の負荷３２，３５はその負極側で接地（グランド）される。
なお、本実施形態では、第２の負荷回路系３０の電源として鉛バッテリの蓄電池３１を用いるが、電源の機能を有するものであれば、発電機などの電源や、リチウムイオンバッテリなどの蓄電池などを適宜用いることが可能である。

さらに、第２の負荷回路系３０は、電源線として、第１、第２及び第３の電源線Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３を有する。第１、第２及び第３の電源線Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３は、蓄電池３１又は第１の負荷回路系２０の発電機２１に対して並列に配置される。

第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１は、パワー半導体モジュール４０を介して第１の負荷３２と第１の負荷回路系２０の発電機２１とを接続する。また、当該第１の電源線Ｗ３１の下流端は、第１の負荷３２の正極側に接続される。

第２の負荷回路系３０の第２の電源線Ｗ３２は、パワー半導体モジュール４０を介して第１の負荷３２と第１の負荷回路系２０の発電機２１とを接続すると共に、第１の負荷３２と蓄電池３１とを直接接続する。すなわち、当該第２の電源線Ｗ３２の上流端は、蓄電池３１の正極側及びパワー半導体モジュール４０の他端（図１中、左側端）に接続される。また、その下流端は、第１の負荷３２の正極側に接続される。

第２の負荷回路系３０の第３の電源線Ｗ３３は、第２の電源線Ｗ３２と同様に、パワー半導体モジュール４０を介して第２の負荷３５と第１の負荷回路系２０の発電機２１とを接続すると共に、第２の負荷３５と蓄電池３１とを直接接続する。すなわち、当該第３の電源線Ｗ３３の上流端は、蓄電池３１の正極側及びパワー半導体モジュール４０の他端に接続される。また、その下流端は、第２の負荷３５の正極側に接続される。

このように第２の負荷回路系３０では、蓄電池３１又は第１の負荷回路系２０の発電機２１の下流回路に第１及び第２の負荷３２，３５が接続され、第１、第２又は第３の電源線Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３を介して蓄電池３１又は発電機２１から第１及び第２の負荷３２，３５に電気が供給される。

そして、第１の負荷回路系２０の電源線Ｗ２１には、負荷２２の上流側に逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ２３が配設される。第２の負荷回路系３０の第１、第２及び第３の電源線Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３にも同様に、各負荷３２，３５の上流側に第１、第２及び第３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３，３４，３６がそれぞれ配設される。すなわち、第１の電源線Ｗ３１には第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３、第２の電源線Ｗ３２には第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４、そして第３の電源線Ｗ３３には第３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３６が設けられる。

これら逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６は、電源２１，３１から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態となる。すなわち、逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６は、スイッチング素子として機能し、後述する制御ユニット５０によりオンオフ制御されてオン状態のときに短絡して、電源２１，３１から流れる電気を通電させる。

また、本実施形態では、第２の負荷回路系３０において、第１の電源線Ｗ３１が通常状態で使用されるメインの電気経路を構成する。その一方で、第２の電源線Ｗ３２が、後述するパワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂの何れかに故障が発生した場合にバックアップ的に使用されるサブの電気経路を構成する。

パワー半導体モジュール４０は、第１及び第２の負荷回路系２０，３０の間に配設されており、一方端で第１の負荷回路系２０、他方端で第２の負荷回路系３０に接続する。そして、パワー半導体モジュール４０は、複数（本実施形態では３つ）の回路体４１，４２，４３が並列に接続されて構成される。第１、第２及び第３の回路体４１，４２，４３は、直列に接続された順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４２Ａ，４３Ａをそれぞれ一組（１ユニット）にして構成される。そのため、パワー半導体モジュール４０は、回路保護機構として電源２１，３１からの供給される大電流から第１又は第２の負荷回路系２０，３０を保護する機能を有することになる。
なお、各回路体４１，４２，４３において、逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４２Ａ，４３Ａは第１の負荷回路系２０側に配置される。順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂは、第２の負荷回路系３０側に配置される。
なお、本実施形態では、回路体４１，４２，４３を３つとしたが、これに限定されない。そのユニット数はパワー半導体モジュール４０にかかる負荷容量に応じて適宜選択される。

また、順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂは、オン状態のときに順方向バイアスとなる素子である。すなわち、パワー半導体モジュール４０の回路体４１，４２，４３は、両方のパワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂを直列で有することで、制御ユニット５０により両方がオフの状態にされれば電流を上下流共に遮断し、その一方で両方がオンの状態にされれば、電流を上下流共に通電する。結果的に、パワー半導体モジュール４０の回路体４１，４２，４３それぞれは、全体としてスイッチング回路として機能する。

ここで、本実施形態では、第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１の上流端が、パワー半導体モジュール４０の第３の回路体４３において、その順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂと逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの間に接続される。これにより、第１の負荷回路系２０の発電機２１から第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１を経由して第１の負荷３２に電源供給される経路において、第３の回路体４３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａと、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３と、が直列に接続されることになる。

制御ユニット５０は、ハードウェアとして演算回路、インタフェース回路及びメモリ回路などを含むコンピュータシステムで構成され、パワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂをそれぞれオンオフ制御する。また、制御ユニット５０には、車両用電源供給システムの異常を検知するための各種センサ（不図示）からの検知信号が入力される。この検知信号には、回路体４１，４２，４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ又は逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ、第１の負荷回路系２０の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ２３、又は第２の負荷回路系３０の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３，３４，３６の何れかが故障したかを報知する信号も含まれる。制御ユニット５０は、当該検知信号に応じて、故障したパワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ以外のパワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂをそれぞれオンオフ制御する。

何れのパワーＭＯＳＦＥＴ３，３３，３４，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂも故障してない通常状態では、制御ユニット５０は、第２の負荷回路系３０の第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４を常時オフ状態に設定して、その機能を停止する。そして、制御ユニット５０は、それ以外のパワーＭＯＳＦＥＴ２３，３３，３６，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂをオン状態に設定する。このときには、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２に供給される電気は、パワー半導体モジュール４０の第３の回路体４３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａから第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１及び第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３をメイン（通常）の経路として供給される。また、第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４がオフ状態であるため、第２の電源線Ｗ３２には電気が一切通電されない。

＜制御ユニットのオンオフ制御による電気の経路について＞
次に図２〜図４を参照して、回路体４１，４２，４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ又は逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３、又は第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４の何れかが故障した場合の電気の経路について説明する。図２は、第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３においてオン状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。図３は、図１に示す第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３においてオフ状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。図４は、第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの両方においてオン状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。図５は、第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの両方においてオフ状態で故障が発生した場合の電気の経路を説明する概略回路構成図である。

図２に示す回路構成図では、第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３においてオン状態で故障が発生している。この場合には、第１の電源線Ｗ３１には第１の負荷回路系２０の発電機２１から常時電気が供給されることになり、不要時にも第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２が駆動することになり、機能安全を害してしまう可能性がある。

そこで、制御ユニット５０は、センサ（不図示）により検知された第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３のかかる故障状況に応じて、第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａを常時オフ状態となるようにオフ制御する。それと同時に、制御ユニット５０は、第２の負荷回路系３０の第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４をオン状態に切り替える。これにより、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２には、第２の電源線Ｗ３２及び第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４を通じて電気が正常に供給されることになる。
なお、このときには、第３の回路体４３の機能が停止されるので、パワー半導体モジュール４０の負荷容量が減少する結果となる。そのため、制御ユニットは、機能安全の要求が低い第２の負荷３５への電気の供給を停止すべく、第２の負荷回路系３０の第３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３６をオフ状態となるようにオフ制御しても良い。

また、図３に示す回路構成図では、第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３においてオフ状態で故障が発生している。この場合には、第１の電源線Ｗ３１には第１の負荷回路系２０の発電機２１から電気が供給されないので、そのままでは機能安全性を害してしまう可能性がある。

そこで、制御ユニット５０は、センサにより検知された第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４のかかる故障状況に応じて、第２の負荷回路系３０の第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４をオン状態に切り替える。これにより、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２には、第２の電源線Ｗ３２及び第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４を通じて正常に電気が供給されることになる。

また、図４に示す回路構成図では、第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの両方においてオン状態で故障が発生している。ただし、この場合には、制御ユニット５０は、第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３をオンオフ制御することで一応の対応は可能である。

しかしながら、システムの電源冗長性に関して安全側に考え、制御ユニット５０は、センサにより検知された第３の回路体４３のかかる故障状況に応じて、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３を常時オフ状態となるようにオフ制御する。これにより、第１の電源線Ｗ３１を経由する電気の供給を停止する。それと同時に、制御ユニット５０は、第２の負荷回路系３０の第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４をオン状態に切り替える。これにより、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２には、第２の電源線Ｗ３２及び第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４を通じて正常に電気が供給されることになる。

また、図５に示す回路構成図では、第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの両方においてオフ状態で故障が発生している。この場合には、第１の電源線Ｗ３１には第１の負荷回路系２０の発電機２１から電気が供給されないので、そのままでは機能安全性を害してしまう可能性がある。

そこで、制御ユニット５０は、センサにより検知された第３の回路体４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａのかかる故障状況に応じて、第２の負荷回路系３０の第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４をオン状態に切り替える。これにより、第２の負荷回路系３０の第１の負荷３２には、第２の電源線Ｗ３２及び第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４を通じて正常に電気が供給されることになる。
なお、このときにはかかる故障により、第２の負荷回路系３０の第１の電源線Ｗ３１には電気が通電しなくなるので、制御ユニット５０は第２の負荷回路系３０の第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３を常時オフ状態となるようにオフ制御しても良い。

＜本実施形態の車両用電源供給システムの利点について＞
本実施形態の車両用電源供給システム１０によれば、第２の負荷回路系３０の第１の電源線（第１の電源線）Ｗ３１が、上流端（一端）が第３の回路体（回路体のうちのいずれか１つ）４３における、順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ｂと逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａの間に接続され、下流端（他端）が第２の負荷回路系３０の第１の負荷（負荷）３２に接続され、第１の負荷回路系２０の発電機（電源）２１から第２の負荷回路系３０の第１の電源線（第１の電源線）Ｗ３１を経由して第１の負荷回路系２０の発電機（電源）２１に電源供給される経路において、回路体４３における逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａと、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３と、が直列に接続される。このため、複数の回路体４１，４２，４３のうち１つの逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４３Ａを活用（流用）して、第１の電源線Ｗ３１を含む通常使用の電気経路にスイッチング機能を実現することができる。これにより、システムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができる。

また、本実施形態の車両用電源供給システム１０によれば、回路体４１，４２，４３の順方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ又は逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ、第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３３、又は第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ３４の何れかが故障した場合に、検知されたその故障状況に応じて、故障したパワーＭＯＳＦＥＴ３３，３４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ以外のパワーＭＯＳＦＥＴ３３，３４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂをそれぞれオンオフ制御する制御ユニット（制御部）５０をさらに有する。このため、複数のパワーＭＯＳＦＥＴ３３，３４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂのうち一部が故障して通常の電源線Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３から電気供給が不能になっても、別経路から電気を迅速且つ適切に供給することができる。

また、本実施形態の車両用電源供給システム１０における回路構成をパワー半導体デバイスとして車両用に限らず、様々な分野で使用される電源供給システムに広く適用することができる。上述した車両用電源供給システム１０と同様な作用効果を得ることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良などが可能である。

ここで、上述した本発明に係るパワー半導体デバイス、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム１０の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［３］に簡潔に纏めて列記する。
［１］直列に接続された順方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ）及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ）を一組とする回路体（４１，４２，４３）が複数並列に接続された、電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）から供給される大電流から回路を保護する半導体ヒューズとして機能するパワー半導体モジュール（４０）と、
前記パワー半導体モジュール（４０）を介して、電源供給される負荷（第２の負荷回路系３０の第１の負荷、３２）と前記電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）とを接続する第１の電源線（Ｗ３１）と、
前記第１の電源線（Ｗ３１）に設けられた、前記電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（３３）と、
前記パワー半導体モジュール（４０）を介して、前記負荷（第２の負荷回路系３０の第１の負荷、３２）と前記電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）とを接続する第２の電源線（Ｗ３２）と、
前記第２の電源線（Ｗ３２）に設けられた、前記電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（３４）と、
を備え、
前記第１の電源線（Ｗ３１）が、一端が前記回路体（４１，４２，４３）のうちのいずれか１つにおける、前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４３Ｂ）と前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４３Ａ）の間に接続され、他端が前記負荷（第２の負荷回路系３０の第１の負荷、３２）に接続され、
前記電源（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）から前記第１の電源線（Ｗ３１）を経由して前記負荷（第１の負荷回路系２０の発電機、２１）に電源供給される経路において、前記回路体（４３）における前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４３Ａ）と、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（３３）と、が直列に接続される
ことを特徴とするパワー半導体デバイス。
［２］前記回路体（４１，４２，４３）の前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ）又は前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ）、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（３３）、又は前記第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ（３４）の何れかが故障した場合に、検知されたその故障状況に応じて、故障したパワーＭＯＳＦＥＴ（３３，３４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ）以外のパワーＭＯＳＦＥＴ（３３，３４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ）をそれぞれオンオフ制御する制御部をさらに有する
ことを特徴とする［１］に記載のパワー半導体デバイス。
［３］［１］又は［２］に記載のパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム（１０）。

１０ 車両用電源供給システム
２０ 第１の負荷回路系
２１ 発電機（電源）
２２ 負荷
２３ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
３０ 第２の負荷回路系
３１ 蓄電池
３２ 第１の負荷（負荷）
３３ 第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
３４ 第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
３５ 第２の負荷
３６ 第３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４０ パワー半導体モジュール
４１ 第１の回路体
４１Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４２Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４２ 第２の回路体
４２Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４２Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４３ 第３の回路体
４３Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
４３Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
５０ 制御ユニット（制御部）
６０ 車両用電源供給システム
７０ 第１の負荷回路系
７１ 発電機
７２ 負荷
７３ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
８０ 第２の負荷回路系
８１ 蓄電池
８２ 第１の負荷
８３ 第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
８４ 第２の負荷
８５ 第３の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９０ パワー半導体モジュール
９１ 第１の回路体
９１Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９２Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９２ 第２の回路体
９２Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９２Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９３ 第３の回路体
９３Ａ 逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ
９３Ｂ 順方向パワーＭＯＳＦＥＴ
Ｗ２１ 電源線
Ｗ３１ 第１の電源線
Ｗ３２ 第２の電源線
Ｗ３３ 第３の電源線
Ｗ７１ 電源線
Ｗ８１ 第１の電源線
Ｗ８２ 第２の電源線

Claims (3)

1. 直列に接続された順方向パワーＭＯＳＦＥＴ及び逆方向パワーＭＯＳＦＥＴを一組とする回路体が複数並列に接続された、電源から供給される大電流から回路を保護する半導体ヒューズとして機能するパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールを介して、電源供給される負荷と前記電源とを接続する第１の電源線と、
   前記第１の電源線に設けられた、前記電源から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、
   前記パワー半導体モジュールを介して、前記負荷と前記電源とを接続する第２の電源線と、
   前記第２の電源線に設けられた、前記電源から供給される電源電圧に対してオン状態のときに逆方向バイアス状態になる第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、
   を備え、
   前記第１の電源線が、一端が前記回路体のうちのいずれか１つにおける、前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴと前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの間に接続され、他端が前記負荷に接続され、
   前記電源から前記第１の電源線を経由して前記負荷に電源供給される経路において、前記回路体における前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴと、が直列に接続される
   ことを特徴とするパワー半導体デバイス。
2. 前記回路体の前記順方向パワーＭＯＳＦＥＴ又は前記逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ、前記第１の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴ、又は前記第２の逆方向パワーＭＯＳＦＥＴの何れかが故障した場合に、検知されたその故障状況に応じて、故障したパワーＭＯＳＦＥＴ以外のパワーＭＯＳＦＥＴをそれぞれオンオフ制御する制御部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
3. 請求項１又は２に記載のパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システム。

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