JP2022017129A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態は、電力制御用の半導体装置に関する。 The present embodiment relates to a semiconductor device for power control.
電力系統における送電システムには、大電力用の電力変換器が使用される。これらの電力変換器は、交流を直流に、直流を交流にする電圧の変換を行う。または、これらの電力変換器は、直流の電圧を昇圧、降圧する変換を行う。これらの電圧の変換は、電力変換器内に設けられた半導体装置により、供給された電力がスイッチングされることにより行われる。 A power converter for high power is used for the power transmission system in the power system. These power converters convert a voltage that converts alternating current to direct current and direct current to alternating current. Alternatively, these power converters perform conversions that increase or decrease the DC voltage. The conversion of these voltages is performed by switching the supplied electric power by the semiconductor device provided in the power converter.
電力変換に使用される半導体装置は、スイッチングにより1000Vを超える高電圧の開閉を行う。また、半導体装置は、スイッチングにより1000Aを超える大電流の開閉を行う。大電流の開閉を行うため、半導体装置には、電気的に並列に接続された複数のIGBT等のいわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子が回路基板に配置される。 The semiconductor device used for power conversion opens and closes a high voltage exceeding 1000 V by switching. Further, the semiconductor device opens and closes a large current exceeding 1000 A by switching. In order to open and close a large current, a semiconductor device for switching, which is a so-called power element such as a plurality of electrically connected IGBTs, is arranged on the circuit board of the semiconductor device.
一つの半導体装置には、複数の半導体素子が搭載されている。半導体装置を構成する一部の半導体素子が短絡故障した場合、短絡故障した半導体素子は過大な短絡電流を負担し、高温となり破壊される。ただし、半導体素子が破壊された場合であっても、故障した半導体素子が短絡状態を維持していれば、半導体装置としては、故障していない半導体素子によって電力供給を継続することができる。 A plurality of semiconductor elements are mounted on one semiconductor device. When some of the semiconductor elements constituting the semiconductor device are short-circuited, the short-circuited semiconductor element bears an excessive short-circuit current and becomes high temperature and is destroyed. However, even when the semiconductor element is destroyed, as long as the failed semiconductor element maintains the short-circuit state, the semiconductor device can continue to supply power by the non-failed semiconductor element.
従って、故障した半導体素子の短絡状態を維持すること、すなわち、半導体素子の短絡故障を保障することが重要である。従来の半導体装置では、例えば、半導体素子に圧接構造を適用するなどして、短絡故障を保証している。 Therefore, it is important to maintain the short-circuited state of the failed semiconductor element, that is, to guarantee the short-circuited failure of the semiconductor element. In the conventional semiconductor device, for example, a short-circuit failure is guaranteed by applying a pressure welding structure to the semiconductor element.
一般に、圧接構造以外の半導体素子では、短絡故障を保障することが困難である。このため、従来では、半導体素子の劣化判定を行い、自ら短絡させる手法が知られている。しかし、半導体素子は特性のばらつきが大きく、劣化進行は素子毎に異なる。このため、半導体素子の劣化判定に関して、判定精度を確保することが難しく、良品を不良品として扱うことになりかねない。従って、半導体素子の劣化判定精度を高めることが望まれている。 In general, it is difficult to guarantee a short-circuit failure in a semiconductor element other than a pressure-welded structure. For this reason, conventionally, a method of determining deterioration of a semiconductor element and short-circuiting it by itself is known. However, the characteristics of semiconductor devices vary widely, and the progress of deterioration differs from device to device. Therefore, regarding the deterioration determination of the semiconductor element, it is difficult to secure the determination accuracy, and a good product may be treated as a defective product. Therefore, it is desired to improve the deterioration determination accuracy of the semiconductor element.
また、短絡故障による破壊に起因した半導体素子の構成部品が飛散すると、周辺に配置された故障していない半導体装置や周辺回路が破壊されるおそれがある。部品の飛散により、故障を起こしていない半導体素子が破壊されることは、安定した電力供給が妨げられることになり、望ましくない。 Further, if the components of the semiconductor element caused by the destruction due to the short-circuit failure are scattered, there is a possibility that the non-failed semiconductor device and the peripheral circuit arranged in the periphery are destroyed. It is not desirable that the semiconductor element that has not failed is destroyed by the scattering of the parts, because the stable power supply is hindered.
本実施形態は、劣化判定の精度向上を図り、部品の飛散を防ぐことが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present embodiment is to provide a semiconductor device capable of improving the accuracy of deterioration determination and preventing scattering of parts.
本実施形態に係る半導体装置は、並列接続された複数の半導体素子のいずれか又は各半導体素子に、当該半導体素子を動作させる時の抵抗値であるオン抵抗と同等の抵抗値を持つ抵抗を直列接続する。 In the semiconductor device according to the present embodiment, any one of a plurality of semiconductor elements connected in parallel or each semiconductor element is connected in series with a resistance having a resistance value equivalent to an on-resistance which is a resistance value when operating the semiconductor element. Connecting.
[第1実施形態]
[構成]
以下、図1を用いて、本実施形態の半導体装置1の構成を説明する。図1に示すように、半導体装置1には複数の半導体素子2が並列に接続されている。半導体素子2は、いわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子である。例えば半導体素子2は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)により構成されており、シリコン等により形成された半導体層に正側電極、負側電極、制御電極が配置される。正側電極はIGBTのコレクタ、負側電極はIGBTのエミッタ、制御電極はIGBTのゲートである。これらの電極はいずれも、銅、アルミニウム等の導体金属により構成される。
[First Embodiment]
[Constitution]
Hereinafter, the configuration of the
半導体素子2は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂により封止されてパッケージ化されている(図1では半導体素子2を四角で囲ったことで示している)。パッケージ化された半導体素子2は、防護壁部によって覆われる。防護壁部は、例えば、アルミニウムや銅等の金属材料またはカーボンやセラミック等の非金属材料により構成される。防護壁部の内部には熱硬化性樹脂からなる内部樹脂が充填されている。
The
図1に示すように、各半導体素子2には、抵抗3が直列接続されている。抵抗3は、半導体素子2のオン抵抗と同等の抵抗値を持つ素子である。半導体素子2のオン抵抗と同等の抵抗値とは、半導体素子2を動作させる時の抵抗値である。本実施形態では半導体素子としてIGBTを採用するため、オン抵抗と同等の抵抗値はコレクタ・エミッタ間の抵抗値となる。半導体素子としてSiC-MOSFETを採用した場合には、オン抵抗と同等の抵抗値はドレイン・ソース間の抵抗値となる。
As shown in FIG. 1, a
抵抗3は半導体素子2の電圧を検出する検出抵抗である。検出抵抗を使用する場合、検出抵抗に半導体素子2の主電流が流れないように、なるべく大きな抵抗を、半導体素子2に対して並列接続することが一般的である。しかし、本実施形態では、抵抗3を半導体素子2に直列接続して、半導体素子2の主電流が流れる経路に抵抗3を組み込むようにしている。
The
しかも、抵抗値が小さいものを用いるのではなく、半導体素子2のオン抵抗同等、例えば数mΩクラスの抵抗3を採用している。このため、半導体装置1では損失の増加は免れないが、本実施形態では、多数の半導体素子2を並列接続することで、半導体装置1全体で損失増加分を補償するものとする。
Moreover, instead of using a resistor having a small resistance value, a
抵抗3には、検出結果蓄積部4と、判定部5とが接続されている。検出結果蓄積部4は、抵抗3が検出した過去の検出結果を蓄積し、蓄積した過去の検出結果を判定部5に出力する。判定部5は、抵抗3が現在検出する現検出結果を抵抗3から取り込むと共に、過去の検出結果を検出結果蓄積部4から取り込む。そして、判定部5は、現検出結果と過去の検出結果とを比較して、抵抗3が接続された半導体素子2の不良判定を行う。現検出結果と比較する過去の検出結果の値は、例えば電圧検出結果を平均化したものである。
The detection result accumulating unit 4 and the determination unit 5 are connected to the
判定部5には、ゲートブロック部6が接続されている。ゲートブロック部6は、判定部5の判定結果に基づいて半導体素子にゲート信号を出力して当該半導体素子2をゲートブロックする。
A gate block unit 6 is connected to the determination unit 5. The gate block unit 6 outputs a gate signal to the semiconductor element based on the determination result of the determination unit 5 to gate block the
ゲートブロック部6には、カウント部7が接続され、カウント部7には短絡保障部8が接続されている。カウント部7は、ゲートブロックした半導体素子2の数をカウントする。短絡保障部8は、カウント部7のカウント数があらかじめ設定された数を超えると、限界信号を出力することでゲートブロックしていない半導体素子2を全てオンにする。半導体素子2を全てオンにするとは、例えば、MMC(Modular Multilevel Converter)での上下アームが全オンになる状態であり、この場合、半導体装置1全体が短絡故障することになる。図1に示す例では、下アームの半導体素子2を検出対象として、検出結果を上アームの半導体素子2にフィードバックする方式を採用したが、検出結果を、検出対象とした自アーム側にフィードバックする方式を採用してもよい。例えば、下アームの半導体素子2を検出対象として、検出結果を下アームの半導体素子2にフィードバックするようにしてもよい。
A count unit 7 is connected to the gate block unit 6, and a short
[構成部品の飛散プロセス]
本実施形態の作用を説明する前に、半導体装置1の構成部品が飛散に至るまでのプロセスについて説明する。半導体素子2において正側電極が電力供給源となる外部装置から電流を入力し、負側電極が負荷となる外部装置に電流を出力する。半導体素子2の制御電極は、外部の制御装置から制御信号を入力して、制御信号により正側電極及び負側電極間の電流を所望の電圧に変換する。
[Component scattering process]
Before explaining the operation of the present embodiment, the process until the components of the
半導体素子2は、正側電極に過電流が入力されたときやサージ電圧が入力されたときに、破壊される場合がある。半導体素子2は、破壊により正側電極と負側電極との間が導通する短絡故障を引き起こす。半導体装置1において、短絡故障が起きた半導体素子2と、短絡故障を引き起こしていない半導体素子2が混在する時、短絡故障を引き起こしていない半導体素子2が遮断状態となると、半導体装置1に流れる電流は短絡故障が起きている半導体素子2に集中する。
The
その結果、半導体素子2に過電流が流れて、半導体素子2の一部がジュール熱により溶融し気化する。これにより、半導体素子2を封止している内部樹脂の内圧が上昇して破断される。破断によって発生したクラックが内部樹脂の端部に達すると、半導体装置1は爆発的に破損して、爆発的に破損した構成部品が飛散する。これにより、周辺に配置された故障していない半導体装置1、または周辺回路が破壊される。
As a result, an overcurrent flows through the
本実施形態に係る半導体装置1は、以上のようにして起きる構成部品の飛散を防ぐようにしたものである。構成部品の飛散を防ぐことにより、本実施形態では、半導体素子2が破壊されても、故障した半導体素子2が短絡状態を維持することができ、故障していない半導体素子2により電力供給の継続可能である。
The
半導体装置1では、半導体素子2のオン抵抗同等の抵抗3を、各半導体素子2に直列接続する。つまり、半導体素子2の主電流が流れる経路に十分に高い抵抗値を持つ抵抗3を組み込んでいる。このため、本実施形態では、短絡故障時のエネルギーを抵抗3に流すことができる。また、半導体素子2は、熱硬化性樹脂などにより封止されてパッケージ化されており、破損時に半導体素子2の構成部品が飛散することを防止する対策が施されている。
In the
また本実施形態では、抵抗3に検出結果蓄積部4と判定部5とを接続する。そのため、図2に示すように、検出結果蓄積部4は抵抗3が検出した過去の検出結果を蓄積しており、判定部5は半導体素子2の不良判定を行う。半導体素子2の劣化状態にはばらつきがあり、劣化状態を見極める際の基準値を半導体素子2それぞれについて設定することは不可能である。そこで本実施形態では、判定部5による半導体素子2が不良であるか否かの判定を、検出結果蓄積部4に蓄積された過去の検出結果と現検出結果とを比較した上で行う。過去の検出結果とは、過去の電圧検出結果を平均化した値である。判定部5は現検出結果が過去の電圧検出結果と比較して、所定の閾値を逸脱していれば、半導体素子2は不良であると判定し、閾値を逸脱していなければ、半導体素子2は良品であると判定する。
Further, in the present embodiment, the detection result accumulating unit 4 and the determination unit 5 are connected to the
さらに本実施形態では、判定部5にはゲートブロック部6を接続する。そのため、図2に示すように、判定部5の判定結果が半導体素子2は不良であるということであれば、ゲートブロック部6が半導体素子2にゲート信号を出力して半導体素子2をゲートブロックする。不良と判定された半導体素子2をゲートブロックすることで、事故を事前に回避することが可能である。
Further, in the present embodiment, the gate block unit 6 is connected to the determination unit 5. Therefore, as shown in FIG. 2, if the determination result of the determination unit 5 indicates that the
ゲートブロックされている半導体素子2の数が増えて、反対に、良品である半導体素子2の並列数が減っていくと、半導体素子2をゲートブロックするだけでは事故を回避しづらい状況となる。なぜなら、半導体素子2に流れる電流の大きさは、半導体素子2の数に関係ないので、半導体素子2の並列数が減ると、通常動作した瞬間に電流定格限界を超えて、想定外の衝撃により半導体素子2の破壊(短絡)が起きてしまうからである。
If the number of gate-blocked
そこで、本実施形態では、ゲートブロック部6にカウント部7及び短絡保障部8を接続して、半導体素子2を短絡破壊させる素子数を自ら決めている。図3に示すように、カウント部7がゲートブロックした半導体素子2の数をカウントアップし、カウントアップ数があらかじめ設定された閾値に達すると、短絡保障部8が限界信号を出力してゲートブロックしていない全ての半導体素子2にオン信号に出力する。これにより、短絡保障部8はゲートブロックしていない半導体素子2を全てオンにして自ら短絡故障させることができる。
Therefore, in the present embodiment, the count unit 7 and the short-
[効果]
本実施形態は、半導体素子2をパッケージ化した上で、並列接続された各半導体素子2に、半導体素子2のオン抵抗と同等の抵抗値を持つ抵抗3を直列接続する。そのため、本実施形態では、短絡故障時のエネルギーを、パッケージ化した半導体素子2と、抵抗3の両方で分担することができる。従って、本実施形態によれば半導体装置1の爆発的な破損を回避することができ、構成部品の飛散を確実に抑えることが可能である。
[effect]
In this embodiment, the
また本実施形態では、判定部5による半導体素子2が不良であるか否かの判定を、過去の電圧検出結果を平均化した値である過去の検出結果と、現検出結果とを比較した上で行っている。そのため、過去検出結果の平均値を実質的な基準値として設定して、現検出結果を判定することができ、本実施形態では半導体素子2の劣化判定精度を上げることが可能である。従って、半導体素子2の特性のばらつきが大きくとも、優れた判定精度を確保することができ、良品を不良品として扱う心配がない。
Further, in the present embodiment, the determination unit 5 determines whether or not the
さらに本実施形態では、カウント部7がカウントアップしたカウントアップ数があらかじめ設定された閾値に達すると、短絡保障部8が限界信号を出力してゲートブロックしていない全ての半導体素子2にオン信号に出力する。このような本実施形態では、ゲートブロックした半導体素子2の数を割り出して、ゲートブロックしていない半導体素子2に流れる電流を算出可能である。
Further, in the present embodiment, when the count-up number counted up by the count unit 7 reaches a preset threshold value, the short-
従って、算出結果が所定の電流を超える前に、ゲートブロックしていない全ての半導体素子2を短絡故障させることができる。これにより、想定内の力で半導体素子2の破壊(短絡)を自発的に起こすことができる。これにより、半導体素子2のパッケージを小型化することができ、抵抗3の小型化に寄与することができる。
Therefore, all the
なお、本実施形態では、半導体素子2のオン抵抗同等の抵抗3を採用したので、半導体装置1では損失の増加は免れないが、多数の半導体素子2を並列接続することで、半導体装置1全体で損失増加分を補償している。
In this embodiment, since the
[他の実施形態]
本実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。以下は、その一例である。
[Other embodiments]
This embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. The embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention. The following is an example.
(1)上記実施形態では、半導体素子2は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるものとしたが、半導体素子2は、これに限られない。半導体素子2は、IGBTの他、例えばMOS-FET(Meral Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、GTO(Gate Turnoff Transistor)等のトランジスター、サイリスタ、FRD(Fast Recovery Diode)等のダイオード、またはこれらが、混載されものであってもよい。
(1) In the above embodiment, the
(2)上記実施形態では、各半導体素子2に抵抗3を直列接続したが、これに限らず、並列接続された複数の半導体素子2のいずれかに直列接続するようにしてもよい。
(2) In the above embodiment, the
(3)例えば、図4に示すように、半導体素子2が実装された半導体モジュール20には接続導体21が取り付けられている。接続導体21は抵抗3を半導体モジュール20に接続する部材であり、水平方向に延びている。接続導体21、21は互いに平行で、且つ図4において奥行き方向にずらして配置されている。
(3) For example, as shown in FIG. 4, a connecting
接続導体21に抵抗3が取り付けられている。抵抗3は、上方向に延びる垂直辺部31と、水平方向に延びる水平辺部32とを有するL字状部材からなる。図4の左側の抵抗3は水平辺部32が垂直辺部31から図4の右側方向に延び、図4の右側の抵抗3は水平辺部32が垂直辺部31から図4の左側方向に延びている。
A
互いに隣接する抵抗3、3は、次の式(1)を満たすように配置される(図4、図5参照)。
L1/r1=L2/r2・sinθ…(1)
L1:抵抗3の水平方向の長さ寸法
L2:垂直方向の長さ寸法
r1:互いに隣接する抵抗3間に作用する反発力を受ける間隔
r2:互いに隣接する抵抗3間に作用する吸引力を受ける間隔
図4に示したI1,I2は、抵抗3に流れる電流であり、矢印の向きに電流が流れる。図5に示したF1は、互いに隣接する抵抗3間に作用する反発力、図5に示したF2は、互いに隣接する抵抗3間に作用する吸引力である。なお、明細書では寸法に関して大文字Lで示したが、図4、図5ではLを小文字で示すものとする。
The
L1 / r1 = L2 / r2 · sinθ ... (1)
L1: Horizontal length dimension of
以上のような実施形態では、上記の式(1)L1/r1=L2/r2・sinθを満たしているため、互いに隣接する抵抗3を並列接続した場合、2つの抵抗3、3の水平辺部32、32に作用する反発力F1と、吸引力F2が、図5のY方向で釣り合う位置関係とすることができる。従って、抵抗3の水平辺部32は、反発力F1や吸引力F2の影響を受けることがない。この結果、抵抗3や接続導体21の破断、さらには半導体モジュール20の損傷を防ぐことができる
In the above embodiment, since the above equation (1) L1 / r1 = L2 / r2 · sinθ is satisfied, when the
1…半導体装置
2…半導体素子
3…抵抗
4…検出結果蓄積部
5…判定部
6…ゲートブロック部
7…カウント部
8…短絡保障部
1 ...
Claims (4)
前記抵抗が検出した過去の検出結果を蓄積する検出結果蓄積部と、
前記抵抗が現在検出する現検出結果と前記過去の検出結果とを比較して前記半導体素子の不良判定を行う判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて前記半導体素子にゲート信号を出力して当該半導体素子をゲートブロックするゲートブロック部と、
を備えた請求項1又は2に記載の半導体装置。 The resistance is configured to detect the voltage of the semiconductor element.
A detection result storage unit that stores past detection results detected by the resistance,
A determination unit that compares the current detection result currently detected by the resistance with the past detection result to determine the defect of the semiconductor element, and
A gate block unit that outputs a gate signal to the semiconductor element based on the determination result of the determination unit to gate block the semiconductor element, and a gate block unit.
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記カウント部のカウント数があらかじめ設定された数を超えると、ゲートブロックしていない前記半導体素子を全てオンにする短絡保障部と、
を備えた請求項3に記載の半導体装置。 A counting unit that counts the number of semiconductor elements gate-blocked by the gate block unit, and a counting unit.
When the count number of the count unit exceeds a preset number, a short-circuit guarantee unit that turns on all the semiconductor elements that are not gate-blocked, and a short-circuit guarantee unit.
The semiconductor device according to claim 3.
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JP7275414B1 (en) * | 2022-09-14 | 2023-05-17 | 三菱電機株式会社 | Power converter and offshore wind power generation system |
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