JP2020085559A

JP2020085559A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2020085559A
Application number: JP2018217306A
Authority: JP
Inventors: 亮高竹; Ryo Takatake
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】複数の半導体素子に内蔵される全ての感温素子の電圧を監視しつつ、半導体装置を簡素化する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと、半導体モジュール内の温度異常を検出する検出装置と、を備え、半導体モジュールは、並列に接続されているとともに、各々が負の温度特性を有する感温素子を内蔵する複数の半導体素子と、一対の共通温度センス信号端子と、を有し、複数の半導体素子の全ての感温素子は、一対の共通温度センス信号端子の間で並列に接続されており、検出装置は、一対の共通温度センス信号端子間に一定の参照電流を供給するとともに、一対の共通温度センス信号端子間の電圧を監視する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体モジュールと電子制御ユニットを備える。半導体モジュールは、並列に接続された複数の半導体素子を備える。各々の半導体素子は、負の温度特性を有する感温素子を内蔵しており、それらの感温素子は電子制御ユニットへ接続されている。電子制御ユニットは、各々の感温素子を個々に監視することによって、全ての半導体素子の温度をそれぞれ把握している。

特開２０１７−１１２７８５号公報

上記した半導体装置では、電子制御ユニットが、各々の感温素子が出力する電圧信号を個々に監視している。このような構成であれば、複数の半導体素子のいずれかで温度異常が生じたときに、それを確実に検出することができる。しかしながら、電子制御ユニットと各々の感温素子との間を個別に接続する必要があるので、そのための信号端子の数やコネクタのサイズが増大する。また、各々の感温素子が出力する電圧信号を監視するための回路も複数必要となり、半導体装置は大型化、複雑化する。本明細書は、半導体装置の構成を簡素化しつつ、複数の半導体素子で生じる温度異常を正しく検出し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと、半導体モジュール内の温度異常を検出する検出装置と、を備え、半導体モジュールは、並列に接続されているとともに、各々が負の温度特性を有する感温素子を内蔵する複数の半導体素子と、一対の共通温度センス信号端子と、を有し、複数の半導体素子の全ての感温素子は、一対の共通温度センス信号端子の間で並列に接続されており、検出装置は、一対の共通温度センス信号端子間に一定の参照電流を供給するとともに、一対の共通温度センス信号端子間の電圧を監視する。

上記した半導体装置では、全ての半導体素子の感温素子が、一対の共通温度センス信号端子の間で並列に接続されており、一対の共通温度センス信号端子間の電圧が、検出装置によって監視される構成となっている。このような構成によると、複数の半導体素子の数にかかわらず、一対の共通温度センス信号端子間の電圧のみを監視すればよいので、半導体装置の構成を簡素化することができる。その一方で、一対の共通温度センス信号端子間の電圧のみを監視するだけでは、複数の半導体素子のいずれかで温度異常が生じたときに、温度異常が生じた半導体素子を特定することはできない。しかしながら、負の温度特性を有する感温素子が、複数並列に接続された回路構造によって、複数の半導体素子のいずれかで温度異常が生じたときは、一対の共通温度センス信号端子間の電圧が有意に低下する。従って、一対の共通温度センス信号端子間の電圧のみを監視するだけでも、複数の半導体素子のいずれかで温度異常が生じたときは、その温度異常を正しく検出することができる。

実施例の半導体装置１００の内部構造を示す回路図。第１半導体モジュール１０の内部構造を示す平面図。温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄの温度Ｔに対する順方向電圧Ｖ_ｆを示すグラフ。

図面を参照して、実施例の半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車におけるインバータ回路に採用することができる。図１に示すように、半導体装置１００は、互いに直列に接続された第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０とコントローラ３０とを備える。第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０は対を成しており、インバータ回路の三相のうちの一相の回路を構成することができる。コントローラ３０は、第１半導体モジュール１０の状態（温度や電流）を監視し、その検出結果に基づいて、第１半導体モジュール１０の動作を制御する装置である。第２半導体モジュール２０は不図示のコントローラに接続されており、そのコントローラによって、第１半導体モジュール１０と同様に制御される。あるいは、コントローラ３０が第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０の両方を制御するように構成されていてもよい。ここで、コントローラ３０は、本明細書が開示する技術における「検出装置」の一例である。

図２に示すように、第１半導体モジュール１０について説明する。第１半導体モジュール１０は、複数の半導体素子１２、１４、１６と、複数の導体スペーサ５２、５４、５６と、第１導体板５８及び第２導体板６０と、封止体２と、複数の外部接続端子６２、６４、６６とを備える。各々の半導体素子１２、１４、１６は、互いに並列に接続されており、封止体２の内部に封止されている。封止体２は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂を用いて構成されている。第１導体板５８と第２導体板６０は、複数の半導体素子１２、１４、１６を挟んで対向している。複数の半導体素子１２は、第１導体板５８及び第２導体板６０の長手方向に沿って並んで配置されている。また、半導体素子１２、１４、１６の各々と第２導体板６０との間には、対応する一つの導体スペーサ５２、５４、５６が介挿されている。第１導体板５８と第２導体板６０と導体スペーサ５２、５４、５６は、銅又はその他の金属といった導体で形成されている。複数の外部接続端子６２、６４、６６は、複数の半導体素子１２、１４、１６の少なくとも一つと接続されており、封止体２の内部から外部に向かって突出して延びている。複数の外部接続端子６２、６４、６６は、銅、アルミニウム又はその他の金属といった導体によって形成されている。

第１半導体モジュール１０について、複数の半導体素子１２、１４、１６は、スイッチング素子であり、詳しくは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオード素子とを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。但し、半導体素子１２、１４、１６は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子といった他のスイッチング素子であってもよい。複数の半導体素子１２、１４、１６に用いられる半導体材料については、特に限定されず、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は、窒化ガリウム（ＧａＮ）といった窒化物半導体であってよい。

複数の半導体素子１２、１４、１６には、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４、第３半導体素子１６が含まれる。複数の半導体素子１２、１４、１６は、並列に接続されている。第１半導体素子１２は、主電極である表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１２ｐとを有する。第１半導体素子１２の表面電極と信号パッド１２ｐは、第１半導体素子１２の上面に位置し、第１半導体素子１２の裏面電極は、第１半導体素子１２の下面に位置する。第２半導体素子１４は、主電極の表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１４ｐとを有する。第２半導体素子１４の表面電極と信号パッド１４ｐは、第２半導体素子１４の上面に位置し、第２半導体素子１４の裏面電極は、第２半導体素子１４の下面に位置する。第３半導体素子１６は、主電極の表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１６ｐとを有する。第３半導体素子１６の表面電極と信号パッド１６ｐは、第３半導体素子１６の上面に位置し、第３半導体素子１６の裏面電極は、第３半導体素子１６の下面に位置する。各々の半導体素子１２、１４、１６の各電極を構成する材料には、特に限定されないが、アルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。

第１半導体素子１２は、第１温度センスダイオード１２ｄと、第１温度センスダイオード１２ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有する。第１温度センスダイオード１２ｄは、第１半導体素子１２に内蔵されており、第１半導体素子１２の温度を検出する。一例ではあるが、図３に示すように、第１温度センスダイオード１２ｄは、負の温度特性を有する感温素子の一例である。ここでいう負の温度特性とは、感温素子の温度が上昇すると、その感温素子の信号値が減少する特性を示す。即ち、第１半導体素子１２の温度が上昇して、第１温度センスダイオード１２ｄの温度Ｔが上昇すると、その順方向電圧Ｖ_ｆ（即ち、一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）間の電圧）は低下する。同様に、第２半導体素子１４は、第２温度センスダイオード１４ｄと、第２温度センスダイオード１４ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有し、第３半導体素子１６は、第３温度センスダイオード１６ｄと、第３温度センスダイオード１６ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有する。

第１半導体モジュール１０は、複数の外部接続端子６２、６４、６６を有する。複数の外部接続端子６２、６４、６６には、電力用の低電位端子（Ｎ端子）６２及び出力端子（Ｏ端子）６４と、複数の信号端子６６が含まれる。本実施例の複数の信号端子６６には、複数の第１信号端子１２ｃと、複数の第２信号端子１４ｃと、複数の第３信号端子１６ｃと、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋとが含まれる。複数の第１信号端子１２ｃは、第１半導体素子１２の信号パッド１２ｐに接続されており、複数の第２信号端子１４ｃは、第２半導体素子１４の信号パッド１４ｐに接続されており、複数の第３信号端子１６ｃは、第３半導体素子１６の信号パッド１６ｐに接続されている。

複数の第１信号端子１２ｃには、ゲート信号端子１２ｇが含まれる。ゲート信号端子１２ｇは、信号パッド１２ｐを介して第１半導体素子１２のゲート（ここでは、ＩＧＢＴのゲート）に接続されている。複数の第２信号端子１４ｃ及び複数の第３信号端子１６ｃについても同様であり、ゲート信号端子１４ｇ、１６ｇが含まれている。

一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋは、複数の半導体素子１２、１４、１６の全ての一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）に接続されている。詳しくは、一方の共通温度センス信号端子１０ａが、全ての温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄのアノードに接続されている。他方の温度センス信号端子１０ｋは、全ての温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄのカソードに接続されている。これにより、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋの間において、複数の半導体素子１２、１４、１６の全ての温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄが、互いに並列に接続されている。

コントローラ３０は、第１半導体モジュール１０の複数の信号端子６６に接続されている。コントローラ３０は、複数の信号端子６６を介して、第１半導体モジュール１０の状態（温度や電流）を監視しながら、第１半導体モジュール１０の動作を制御する。例えば、コントローラ３０は、ゲート制御部４０を備えている。ゲート制御部４０は、各々のゲート信号端子１２ｇ、１４ｇ、１６ｇへ駆動制御信号を出力することによって、各々の半導体素子１２、１４、１６の動作を個別に制御することができる。

コントローラ３０は、温度監視部３２をさらに備える。温度監視部３２は、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋに接続されている。温度監視部３２は、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間に一定の参照電流を供給しながら、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧を監視する。前述したように、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間には、複数の温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄが並列に接続されており、各々の温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄは負の温度特性を有している。通常、複数の半導体素子１２、１４、１６の間で大きな温度差は生じない。従って、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧を監視することで、全ての半導体素子１２、１４、１６の温度をまとめて把握することができる。

しかしながら、例えばなんらかの異常が発生したときに、複数の半導体素子１２、１４、１６の間で、有意な温度差が生じることもある。例えば、第１半導体素子１２に短絡異常が発生して、第１半導体素子１２の電流が増大したとする。この場合、第１半導体素子１２の温度が上昇するので、そこに内蔵された第１温度センスダイオード１２ｄの温度Ｔも上昇して、その順方向電圧Ｖ_ｆは低下する。この場合、温度監視部３２から供給された参照電流は、順方向電圧Ｖ_ｆが最も低い第１温度センスダイオード１２ｄのみに流れる。その結果、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間には、第１温度センスダイオード１２ｄの順方向電圧Ｖ_ｆが現れる。同様に、第２半導体素子１４の温度が上昇したときは、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間に第２温度センスダイオード１４ｄの順方向電圧Ｖ_ｆが現れ、第３半導体素子１６の温度が上昇したときは、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間に第３温度センスダイオード１６ｄの順方向電圧Ｖ_ｆが現れる。

このように、いずれかの半導体素子１２（あるいは１４、１６）について温度上昇が生じたときは、その半導体素子１２（あるいは１４、１６）の温度を示す電圧信号（順方向電圧Ｖ_ｆ）が、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間に現れる。従って、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧を監視しておけば、複数の半導体素子１２、１４、１６の間で温度差が生じた場合に、最も高温となっている半導体素子１２（あるいは１４、１６）の温度を選択的に把握することができる。

温度監視部３２の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における温度監視部３２は、定電流源３４や過熱検知部３６等を用いて構成されている。定電流源３４は、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間に、一定の参照電流を供給する。過熱検知部３６は、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧が、所定の電圧閾値より低いときに、所定の異常信号を出力する。この異常信号は、例えばゲート制御部４０に入力される。ゲート制御部４０は、過熱検知部３６から異常信号が入力されると、いずれかの半導体素子１２、１４、１６に温度異常が生じたと判定する。この場合、ゲート制御部４０は、例えば駆動制御信号の出力を中止又は制限するといった、所定の保護動作を実行する。なお、所定の電圧閾値には、基準電圧源の電圧よりも低い値が設定されてよい。

上述したように、本実施例の半導体装置１００では、全ての半導体素子１２、１４、１６の温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄが、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋの間で並列に接続されている。そして、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧が、コントローラ３０によって監視される構成となっている。このような構成によると、複数の半導体素子１２、１４、１６の数にかかわらず、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧のみを監視すればよいので、半導体装置１００の構成を簡素化することができる。その一方で、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧のみを監視するだけでは、複数の半導体素子１２、１４、１６のいずれかで温度異常が生じたときに、温度異常が生じた半導体素子を特定することはできない。しかしながら、負の温度特性を有する温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄが、複数並列に接続された回路構造によって、複数の半導体素子１２、１４、１６のいずれかで温度異常が生じたときは、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧が有意に低下する。従って、一対の共通温度センス信号端子１０ａ、１０ｋ間の電圧のみを監視するだけでも、複数の半導体素子１２、１４、１６のいずれかで温度異常が生じたときは、その温度異常を正しく検出することができる。

第２半導体モジュール２０及びそのコントローラ（不図示）についても、上述した第１半導体モジュール１０及びそのコントローラ３０と同様の構成が採用されている。そのことから、第２半導体モジュール２０及びそのコントローラについての重複する説明は省略する。本実施例における半導体装置１００は、第２半導体モジュール２０において温度異常が生じたときでも、それを正しく検出することができる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

２：封止体
１０、２０：半導体モジュール
１０ａ、１０ｋ：共通温度センス信号端子
１２、１４、１６：半導体素子
１２ｄ、１４ｄ、１６ｄ：温度センスダイオード
１２ｇ、１４ｇ、１６ｇ：ゲート信号端子
１２ｐ、１４ｐ、１６ｐ：信号パッド
３０：コントローラ
３２：温度監視部
３４：定電流源
３６：過熱検知部
４０：ゲート制御部
５２、５４、５６：導体スペーサ
５８、６０：導体板
６２：Ｎ端子
６４：Ｏ端子
６６：信号端子
１００：半導体装置
Ｔ：温度センスダイオードの温度
Ｖ_ｆ：順方向電圧

Claims

半導体モジュールと、
前記半導体モジュール内の温度異常を検出する検出装置と、を備え、
前記半導体モジュールは、
並列に接続されているとともに、各々が負の温度特性を有する感温素子を内蔵する複数の半導体素子と、
一対の共通温度センス信号端子と、を有し、
前記複数の半導体素子の全ての前記感温素子は、前記一対の共通温度センス信号端子の間で並列に接続されており、
前記検出装置は、前記一対の共通温度センス信号端子間に一定の参照電流を供給するとともに、前記一対の共通温度センス信号端子間の電圧を監視する、
半導体装置。