JP2023094167A - スイッチング素子の出力電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子の出力電圧検出装置において、制御回路基板に大電流が流れることによる故障の影響を抑制することにある。【解決手段】スイッチング素子の出力電圧検出装置は、第１出力端子及び第２出力端子を備えるスイッチング素子（１０）と、第１出力端子と第２出力端子の間の電位差である出力電圧を検出する制御回路基板（２００）と、を備える。出力電圧検出装置は、第１出力端子にカソード端子が接続され、制御回路基板にアノード端子が接続されたダイオード（２０）と、第１出力端子、ダイオード、及び制御回路基板を接続する所定経路に設けられたヒューズ機能（５５）と、を備える。【選択図】 図１２

Description

本発明は、スイッチング素子のオン電圧に応じた出力電圧を検出する出力電圧検出装置に関する。

従来、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）の出力端子の電圧を、高耐圧ダイオードを介して監視する装置がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置では、高耐圧ダイオードのカソード端子に電源電圧（高電圧）が印加され、アノード端子が制御回路基板（低圧部）に接続されている。

特許第６６６５６８１号公報

ところで、特許文献１に記載の装置では、スイッチング素子の出力電圧を検出するために高耐圧ダイオードを追加したことにより、高耐圧ダイオードを介して制御回路基板に高電圧が印加されている。このため、高耐圧ダイオードが短絡した場合に、制御回路基板に大電流が流れて故障が発生して周りに影響するという新たな問題が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、スイッチング素子の出力電圧検出装置において、制御回路基板に大電流が流れることによる故障の影響を抑制することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
第１出力端子（Ｔ１）及び第２出力端子（Ｔ２）を備えるスイッチング素子（１０）と、前記第１出力端子と前記第２出力端子の間の電位差である出力電圧を検出する制御回路基板（２００）と、を備えるスイッチング素子の出力電圧検出装置であって、
前記第１出力端子にカソード端子（２０ｂ，２１ｂ）が接続され、前記制御回路基板にアノード端子（２０ａ，２２ａ）が接続されたダイオード（２０）と、
前記第１出力端子、前記ダイオード、及び前記制御回路基板を接続する所定経路（３２０）に設けられたヒューズ機能（５５、５６、３２ａ、５８）と、
を備える。

上記構成によれば、スイッチング素子の出力電圧検出装置は、スイッチング素子と、制御回路基板とを備えている。スイッチング素子は、第１出力端子及び第２出力端子を備えている。制御回路基板は、前記第１出力端子と前記第２出力端子の間の電位差である出力電圧を検出する。これにより、スイッチング素子の出力電圧検出装置は、スイッチング素子の出力電圧を監視することができる。

ここで、ダイオードは、前記第１出力端子にカソード端子が接続され、前記制御回路基板にアノード端子が接続されている。このため、ダイオードが短絡した場合に、制御回路基板に大電流が流れて故障が発生して周りに影響するおそれがある。この点、前記第１出力端子、前記ダイオード、及び前記制御回路基板を接続する所定経路に、ヒューズ機能が設けられている。このため、ダイオードが短絡した場合であっても、ヒューズ機能が働いて（ヒューズが溶断）して第１出力端子と制御回路基板とを切断することができる。したがって、スイッチング素子の出力電圧を検出するためのダイオードを備える出力電圧検出装置において、制御回路基板に大電流が流れることによる故障の影響を抑制することができる。

第２の手段では、
前記スイッチング素子は、パワーモジュール（１２０）に内蔵されており、
前記制御回路基板は、前記出力電圧を検出する検出部（２１１）を備え、
前記第１出力端子に接続され、前記パワーモジュールの外部まで延びる第１導体板（３１，３６）と、
前記検出部に接続され、前記制御回路基板の外部まで延びる第２導体板（３２）と、を備え、
前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部において、前記ダイオードのカソード端子が前記第１導体板に接続され、前記ダイオードのアノード端子が前記第２導体板に接続されている。

上記構成によれば、前記スイッチング素子は、パワーモジュールに内蔵されている。前記制御回路基板は、前記出力電圧を検出する検出部を備えている。ここで、上記出力電圧を検出するためのダイオードを制御回路基板に実装する場合は、ダイオードとの絶縁距離を確保するために、制御回路基板が大型化するおそれがある。また、上記出力電圧を検出するためのダイオードをパワーモジュールに内蔵する場合は、パワーモジュールが大型化するおそれがある。

この点、第１導体板は、前記第１出力端子に接続され、前記パワーモジュールの外部まで延びている。第２導体板は、前記検出部に接続され、前記制御回路基板の外部まで延びている。そして、前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部において、前記ダイオードのカソード端子が前記第１導体板に接続され、前記ダイオードのアノード端子が前記第２導体板に接続されている。このため、制御回路基板においてダイオードとの絶縁距離を確保する必要がなく、制御回路基板が大型化することを抑制することができる。さらに、ダイオードをパワーモジュールに内蔵する必要がなく、パワーモジュールが大型化することを抑制することができる。

第３の手段では、前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部の前記所定経路において、前記第１導体板及び前記第２導体板よりも細く形成された導体部により前記ヒューズ機能が構成されている。こうした構成によれば、制御回路基板においてヒューズ機能との絶縁距離を確保する必要がなく、制御回路基板が大型化することを抑制することができる。さらに、ヒューズ機能をパワーモジュールに内蔵する必要がなく、パワーモジュールが大型化することを抑制することができる。

第４の手段では、前記ダイオードは、ベアチップの状態であり、前記ダイオードと、前記第１導体板又は前記第２導体板とが、ボンディングワイヤ（５５）により接続されており、前記ボンディングワイヤにより前記ヒューズ機能が構成されている。

上記構成によれば、前記ダイオードは、ベアチップの状態である。このため、ダイオードと他の配線等とをワイヤボンディングして、それらをボンディングワイヤにより接続することができる。この点、前記ダイオードと、前記第１導体板又は前記第２導体板とが、ボンディングワイヤにより接続されている。そして、前記ボンディングワイヤにより前記ヒューズ機能が構成されている。したがって、前記ダイオードと、前記第１導体板又は前記第２導体板とを接続する機能と、ヒューズ機能とを、ボンディングワイヤにより兼ねることができる。さらに、前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部において、前記ダイオードと、前記第１導体板又は前記第２導体板とが接続されることにより、第３の手段と同様の作用効果を奏することができる。

第５の手段では、前記パワーモジュールと前記制御回路基板とは、複数の所定導体板（３３，３４）により接続されており、前記第１出力端子には、電源電圧が印加される。

一般に、前記パワーモジュールと前記制御回路基板とは、複数の所定導体板により接続されている。例えば、所定導体板は、スイッチング素子のゲートへ電力（電圧、電流）を出力するゲート配線として用いられたり、パワーモジュール及び制御回路基板の基準電位を同一にするための基準電位配線として用いられたりする。一方、パワーモジュールにおいて電源電圧（高電圧）が印加される配線は、一般に制御回路基板に接続する必要がないため、パワーモジュールの外部に露出されない。

この点、上記構成によれば、前記第１出力端子には、電源電圧が印加される。そして、第１導体板は、前記第１出力端子に接続され、前記パワーモジュールの外部まで延びている。したがって、電源電圧が印加される第１出力端子に第１導体板を介して、ダイオードのカソード端子を接続することができる。

第１実施形態のスイッチング素子の出力電圧検出装置を示す回路図。 ダイオードの接続態様を示す模式図。 ダイオードの接続態様の変更例を示す模式図。 ダイオードの接続態様の他の変更例を示す模式図。 ダイオードを２つ接続する場合の接続態様を示す模式図。 ダイオードを２つ接続する場合の接続態様の変更例を示す模式図。 第２実施形態のスイッチング素子の出力電圧検出装置を示す分解斜視図。 図７のスイッチング素子の出力電圧検出装置の回路図。 ダイオードの接続態様を示す模式図。 ダイオードの接続態様の変更例を示す模式図。 ダイオードの接続態様の他の変更例を示す模式図。 第３実施形態のダイオード及びヒューズの接続態様を示す模式図。 ダイオード及びヒューズの接続態様の変更例を示す模式図。 ダイオード及びヒューズの接続態様の他の変更例を示す模式図。 ヒューズの挿入箇所を示す回路図。

（第１実施形態）
以下、車両に搭載されて入力される制御信号に基づいて負荷の駆動を制御するパワースイッチング装置に具現化した第１実施形態につい、図面を参照して説明する。

図１に示すように、スイッチング素子の出力電圧検出装置１００は、スイッチング素子１０を含むパワー素子１１０が実装されたパワーモジュール１２０を備えている。パワーモジュール１２０には、各種配線３００を介して制御回路基板２００が接続されている。制御回路基板２００には、スイッチング素子１０のオンオフを制御する制御回路２１０が実装されている。

スイッチング素子１０のオンオフを制御するための制御信号を伝達するゲート配線３１０と、スイッチング素子１０の出力電圧を伝達するための電圧検出配線３２０と、制御回路２１０とスイッチング素子１０とで基準電位を共通化するための基準電位配線３３０とを介して、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００とが接続されている。なお、配線３００が接続されるパワーモジュール１２０側の端子をモジュール側の端子と称し、制御回路基板２００側の端子を基板側の端子と称することがある。

パワー素子１１０は、スイッチング素子１０を備えている。パワー素子１１０は１つのチップとして素子を形成しており、ひとつの制御端子Ｔ０と、２つの出力端子Ｔ１，Ｔ２とが、外部に接続可能に形成されている。

スイッチング素子１０は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を採用することができる。図１に示すように、ＩＧＢＴにおけるゲート端子が制御端子Ｔ０に相当し、コレクタ端子が出力端子Ｔ１（第１出力端子）に相当し、エミッタ端子が出力端子Ｔ２（第２出力端子）に相当している。図示しないが、スイッチング素子１０のコレクタ端子Ｔ１には、負荷に供給する高電圧（例えば８００［Ｖ］）の電源電圧ＶＤＤが印加される。エミッタ端子Ｔ２には、制御回路基板２００と共通したグランド電位が接続される。なお、スイッチング素子１０はＩＧＢＴに限定されることはなく、例えばＭＯＳＦＥＴでもよい。スイッチング素子１０がＭＯＳＦＥＴの場合には、出力端子Ｔ１がドレイン端子に相当し、出力端子Ｔ２がソース端子に相当する。

高耐圧ダイオード２０は一般的に知られたダイオード素子である。以降、高耐圧ダイオード２０における順電圧をＶＦと表記する。高耐圧ダイオード２０のカソード端子は、スイッチング素子１０の出力電圧を検出するための検出端子Ｔ３を介して、スイッチング素子１０におけるコレクタ端子Ｔ１に接続されている。また、高耐圧ダイオード２０のアノード端子は、制御回路基板２００における後述の電圧検出部２１１に接続されている。高耐圧ダイオード２０はＩＧＢＴのコレクタ－エミッタ間電圧、すなわちスイッチング素子１０の出力電圧を検出するための電圧検出素子である。具体的には、スイッチング素子１０がオン状態のとき、高耐圧ダイオード２０のアノード側に出力される検出電圧は、スイッチング素子１０のオン電圧Ｖｏｎと、高耐圧ダイオード２０の順電圧ＶＦの和である。例えば、スイッチング素子１０のコレクタ電流として過電流が流れると、オン電圧が上昇して検出電圧も上昇する。

パワー素子１１０は、パワーモジュール１２０内に実装されている。パワーモジュール１２０は、図１に示すように、外部との接続端子として５つのモジュール側端子を備えている。すなわち、パワーモジュール１２０は、制御端子としてのゲート端子Ｔ０と、第１出力端子としてのコレクタ端子Ｔ１と、第２出力端子としてのエミッタ端子Ｔ２と、高耐圧ダイオード２０の出力電圧を検出するための検出端子Ｔ３と、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００の基準電位を同一にするための基準端子Ｔ４とを備えている。

ゲート端子Ｔ０は、ゲート配線３１０によって制御回路基板２００と接続されている。検出端子Ｔ３は、電圧検出配線３２０によって高耐圧ダイオード２０を介して制御回路基板２００と接続されている。基準端子Ｔ４は基準電位配線３３０によって制御回路基板２００と接続されている。

制御回路基板２００は、制御回路２１０と、ゲート抵抗器２２０，と電流制限抵抗器２３０と、ブランキング容量２４０と、を備えている。

制御回路２１０は、スイッチング素子１０におけるゲート端子Ｔ０に対して、制御信号であるゲート電圧を出力する。また、制御回路２１０は電圧検出部２１１を含み、検出されたスイッチング素子１０の出力電圧に基づいてゲート電圧の制御あるいはフェールセーフの制御を行う。本実施形態における制御回路２１０は特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit）として構成され、ひとつのチップとして制御回路基板２００に実装されている。制御回路２１０には電源電圧としてＶＣＣが供給されている。

電圧検出部２１１（検出部）は、制御回路２１０に内蔵される機能部であり、電圧検出端子Ｔ３に基づいて出力される検出電圧、すなわちＶｏｎ＋ＶＦを検出する。例えばスイッチング素子１０に過電流が流れるとＶｏｎが上昇するため、検出電圧Ｖｏｎ＋ＶＦも上昇する。制御回路２１０は、検出電圧が所定の閾値を超えたことを条件にフェールセーフ動作を行う等の制御をしている。

また、電圧検出部２１１は、定電流を電圧検出端子Ｔ３に出力する機能を有している。スイッチング素子１０がオンの際に電流Ｉが生成され、電圧検出端子Ｔ３に供給される。電流Ｉの電流値は電圧検出部２１１内で生成された定電圧Ｖｃに基づいて規定される。一方、スイッチング素子１０がオフの際や、短絡状態にある場合には、高耐圧ダイオード２０がオフするため、電圧検出端子Ｔ３には定電圧Ｖｃが出力される。なお、定電圧Ｖｃは制御回路２１０に供給される電源電圧ＶＣＣそのものでも良いし、制御回路２１０の内部で生成された電圧であっても良い。

ゲート抵抗器２２０は、制御回路２１０に含まれる図示しないドライバと、スイッチング素子１０のゲート端子Ｔ０との間に挿入されている。ゲート抵抗器２２０は、スイッチング動作時のゲート充放電時間を最適にする目的で挿入されている。

電流制限抵抗器２３０は、高耐圧ダイオード２０（電圧検出端子Ｔ３）と電圧検出部２１１との間に挿入されている。電流制限抵抗器２３０は、スイッチング動作時の過渡電流を抑制する目的で挿入されている。

ブランキング容量２４０は、電流制限抵抗器２３０と電圧検出部２１１と結ぶ配線と基準電位（グランド）との間に挿入されるコンデンサである。ブランキング容量２４０は、スイッチング素子１０のターンオン動作時において、ＩＧＢＴのコレクタ－エミッタ間電圧が、ＩＧＢＴの短絡判断電圧以下になるまでの間、フェールセーフ動作が行われないようにするために挿入されている。この時間（ブランキング時間）はブランキング容量２４０の容量値が大きいほど長く設定できる。

ここで、スイッチング素子１０の出力電圧を検出するための高耐圧ダイオード２０を制御回路基板２００に実装する場合は、高耐圧ダイオード２０との絶縁距離を確保するために、制御回路基板２００が大型化するおそれがある。また、スイッチング素子１０の出力電圧を検出するための高耐圧ダイオード２０をパワーモジュール１２０に内蔵する場合は、パワーモジュール１２０が大型化するおそれがある。

上記に鑑みて、高耐圧ダイオード２０は、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部に配置されている。図２に示すように、パワーモジュール１２０は、矩形板状に形成されている。制御回路基板２００は、矩形板状に形成されている。パワーモジュール１２０の最も面積の大きい面である主面１２０ａと、制御回路基板２００の法線とが平行になっている。また、パワーモジュール１２０の法線と、制御回路基板２００の最も面積の大きい面である主面２００ａとが平行になっている。高耐圧ダイオード２０は、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００との間のスペースに配置されている。

バスバー４１は、銅合金等により棒状に形成され、上記コレクタ端子Ｔ１に接続されている。バスバー４２は、銅合金等により棒状に形成され、上記エミッタ端子Ｔ２に接続されている。

リードフレーム３３は、銅合金等により薄板状及び柱状（針状）に形成され、パワーモジュール１２０に後述する樹脂により固定されている。また、リードフレーム３３は、制御回路基板２００に半田等により接合され、制御回路基板２００に電気的に接続されている。リードフレーム３３の一端は、ボンディングワイヤ５１を介して上記ゲート端子Ｔ０に接続されている。また、リードフレーム３３の他端は、ゲート抵抗器２２０を介して制御回路２１０に接続されている。リードフレーム３３及びボンディングワイヤ５１により、上記ゲート配線３１０が構成されている。

リードフレーム３４は、銅合金等により薄板状に形成され、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００とに固定されている。リードフレーム３４の一端は、ボンディングワイヤ５２を介して上記基準端子Ｔ４に接続されている。また、リードフレーム３４の他端は、制御回路２１０及びグランド電位に接続されている。リードフレーム３４及びボンディングワイヤ５２により、上記基準電位配線３３０が構成されている。すなわち、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００とは、複数のリードフレーム３３，３４（所定導体板）により接続されている。

リードフレーム３１（第１導体板）は、銅合金等により薄板状に形成され、パワーモジュール１２０に固定されている。リードフレーム３１の一端は、上記電圧検出端子Ｔ３に接続されている。すなわち、リードフレーム３１は、電圧検出端子Ｔ３を介してコレクタ端子Ｔ１に接続され、パワーモジュール１２０の外部まで延びている。リードフレーム３１の他端には、上記高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂが接続されている。すなわち、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、リードフレーム３１に高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂが接続されている。

リードフレーム３２（第２導体板）は、銅合金等により薄板状に形成され、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００とに固定されている。リードフレーム３２の一端には、高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａが接続されている。リードフレーム３２の他端は、上記電流制限抵抗器２３０に接続されている。すなわち、リードフレーム３２は、電流制限抵抗器２３０を介して上記電圧検出部２１１に接続され、制御回路基板２００の外部まで延びている。制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、リードフレーム３２に高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａが接続されている。リードフレーム３１，３２により、上記電圧検出配線３２０が構成されている。

高耐圧ダイオード２０は、例えば既製品のダイオードである。高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａとカソード端子２０ｂとの間隔は、所定間隔ｗである。リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔は、所定間隔ｗに対応した間隔に設定されている。すなわち、リードフレーム３１に高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂを接続し、リードフレーム３２に高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａを接続可能なように、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔が設定されている。なお、高耐圧ダイオード２０として、カスタマイズ（特別注文）されたダイオードを用いることもできる。

パワー素子１１０（スイッチング素子１０）、及びボンディングワイヤ５１，５２は、樹脂６０により封止されている。また、バスバー４１，４２の一部、及びリードフレーム３１～３４の一部も、樹脂６０により封止されている。高耐圧ダイオード２０は、樹脂６０により封止されていない。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・リードフレーム３１は、電圧検出端子Ｔ３を介してコレクタ端子Ｔ１に接続され、パワーモジュール１２０の外部まで延びている。リードフレーム３２は、電圧検出部２１１に接続され、制御回路基板２００の外部まで延びている。そして、高耐圧ダイオード２０は、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、リードフレーム３１にカソード端子２０ｂが接続され、リードフレーム３２にアノード端子２０ａが接続されている。このため、制御回路基板２００において高耐圧ダイオード２０との絶縁距離を確保する必要がなく、制御回路基板２００が大型化することを抑制することができる。さらに、高耐圧ダイオード２０をパワーモジュール１２０に内蔵する必要がなく、パワーモジュール１２０が大型化することを抑制することができる。

・パワーモジュール１２０において電源電圧ＶＤＤ（高電圧）が印加される配線は、一般に制御回路基板２００に接続する必要がないため、パワーモジュール１２０の外部に露出されない。この点、コレクタ端子Ｔ１には、電源電圧ＶＤＤが印加される。そして、リードフレーム３１は、コレクタ端子Ｔ１に接続され、パワーモジュール１２０の外部まで延びている。したがって、電源電圧ＶＤＤが印加されるコレクタ端子Ｔ１にリードフレーム３１を介して、高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂを接続することができる。

・高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａとカソード端子２０ｂとの間隔は、所定間隔ｗであり、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔は、所定間隔ｗに対応した間隔に設定されている。こうした構成によれば、高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａとカソード端子２０ｂとの間隔に対応して、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔が設定されているため、既製品の高耐圧ダイオード２０を用いることができる。

なお、第１実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図３，４に示すように、リードフレーム３２が、制御回路基板２００に固定され、パワーモジュール１２０に固定されていない構成を採用することもできる。すなわち、リードフレーム３２は、全体が樹脂６０の外に配置されている。また、リードフレーム３１は、パワーモジュール１２０と制御回路基板２００とに固定されていてもよい。要するに、リードフレーム３１，３２は、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、高耐圧ダイオード２０を接続可能であればよい。

・図５に示すように、スイッチング素子の出力電圧検出装置１００は、高耐圧ダイオード２０に代えて、第１高耐圧ダイオード２１（第１ダイオード）と第２高耐圧ダイオード２２（第２ダイオード）とを備えていてもよい。制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、第１高耐圧ダイオード２１のカソード端子２１ｂがリードフレーム３１に接続され、第１高耐圧ダイオード２１のアノード端子２１ａがリードフレーム３５（仲介導体板）に接続されている。リードフレーム３５は、銅合金等により薄板状に形成されており、パワーモジュール１２０に固定されていても、固定されていなくてもよい。制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、第２高耐圧ダイオード２２のカソード端子２２ｂがリードフレーム３５に接続され、第２高耐圧ダイオード２２のアノード端子２２ａがリードフレーム３２に接続されている。

リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔は、第１高耐圧ダイオード２１のアノード端子２１ａとカソード端子２１ｂとの間隔である所定間隔ｗ１と、第２高耐圧ダイオード２２のアノード端子２２ａとカソード端子２２ｂとの間隔である所定間隔ｗ２とに対応した間隔に設定されている。すなわち、リードフレーム３１に第１高耐圧ダイオード２１のカソード端子２１ｂを接続し、リードフレーム３５に第１高耐圧ダイオード２１のアノード端子２１ａ及び第２高耐圧ダイオード２２のカソード端子２２ｂを接続し、リードフレーム３２に第２高耐圧ダイオード２２のアノード端子２２ａを接続可能なように、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間隔が設定されている。

上記構成によれば、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間に、第１高耐圧ダイオード２１と第２高耐圧ダイオード２２とをリードフレーム３５を介して接続することができる。このため、第１高耐圧ダイオード２１及び第２高耐圧ダイオード２２の一方が短絡したとしても、リードフレーム３１とリードフレーム３２とが短絡することを抑制することができる。さらに、リードフレーム３１とリードフレーム３２との間に１つの高耐圧ダイオード２０を接続する場合と比較して、第１高耐圧ダイオード２１及び第２高耐圧ダイオード２２を小型化することができ、第１高耐圧ダイオード２１との絶縁距離、及び第２高耐圧ダイオード２２との絶縁距離を確保しやすくなる。なお、図６に示すように、リードフレーム３２が、制御回路基板２００に固定され、パワーモジュール１２０に固定されていない構成を採用することもできる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態では、図７に示すように、スイッチング素子の出力電圧検出装置１００は、３つ（複数）のパワーモジュール１２０を備える３相インバータとして具現化されている。各パワーモジュール１２０は、板状に形成され、最も面積が大きい主面１２０ａが互いに対向するように配置されている。各パワーモジュール１２０は、ヒートシンク７０の各スロット（挿入部）へ挿入され、ヒートシンク７０の内部に流通する冷却水により水冷されている。

制御回路基板２００は、複数のパワーモジュール１２０のＺ方向（所定方向）の側部に対向するように配置されている。各パワーモジュール１２０の主面１２０ａと、制御回路基板２００の法線（Ｚ方向の直線）とが平行になっている。また、各パワーモジュール１２０の法線（Ｘ方向の直線）と、制御回路基板２００の最も面積の大きい面である主面２００ａとが平行になっている。

図８は、図７のスイッチング素子の出力電圧検出装置１００の回路図である。なお、図８では、１相のパワーモジュール１２０のみを表示している。

各パワーモジュール１２０は、上アームのパワー素子１１０と、下アームのパワー素子１１０とを内蔵している。上アームのスイッチング素子１０のエミッタ端子Ｔ２と、下アームのスイッチング素子１０のコレクタ端子Ｔ１とが、出力端子Ｔ５に接続されている。

制御回路基板２００には、各パワー素子１１０に対応した制御回路２１０、ゲート抵抗器２２０、電流制限抵抗器２３０、及びブランキング容量２４０がそれぞれ搭載されている。そして、各高耐圧ダイオード２０は、各パワー素子１１０と制御回路基板２００との間のスペースに配置されている。

図９に併せて示すように、バスバー４１は、銅合金等により棒状に形成され、上アームのスイッチング素子１０のコレクタ端子Ｔ１に接続されている。バスバー４３は、銅合金等により棒状に形成され、出力端子Ｔ５に接続されている。バスバー４２は、銅合金等により棒状に形成され、下アームのスイッチング素子１０のエミッタ端子Ｔ２に接続されている。

リードフレーム３１～３４、及び各スイッチング素子１０に対応する各高耐圧ダイオード２０と、他の部材との接続態様は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、リードフレーム３１は、パワーモジュール１２０の外部までＺ方向へ延びている。リードフレーム３２は、制御回路基板２００の外部までＺ方向と反対方向へ延びている。

上記構成によれば、スイッチング素子の出力電圧検出装置１００は、複数のパワーモジュール１２０を備え、複数のパワーモジュール１２０は、板状に形成され、最も面積が大きい主面１２０ａが互いに対向するように配置されている。このため、複数のパワーモジュール１２０を積層して配置することができ、複数のパワーモジュール１２０を効率的に配置することができる。そして、制御回路基板２００は、複数のパワーモジュール１２０のＺ方向の側部に対向するように配置されている。このため、複数のパワーモジュール１２０に対して、共通のＺ方向に制御回路基板２００を配置することができ、制御回路基板２００を共通化することができる。

ここで、リードフレーム３１は、パワーモジュール１２０の外部までＺ方向へ延びている。そして、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、リードフレーム３１に高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂが接続されている。また、リードフレーム３２は、制御回路基板２００の外部までＺ方向と反対方向へ延びている。そして、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、リードフレーム３２に高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａが接続されている。したがって、複数のパワーモジュール１２０と制御回路基板２００との間のスペースを利用して、リードフレーム３１とリードフレーム３２とに高耐圧ダイオード２０を接続することができる。

なお、第２実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。第２実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図１０に示すように、スイッチング素子の出力電圧検出装置１００が、上記出力端子Ｔ５及び制御回路基板２００に接続されたリードフレーム３６（導体板）を備える場合は、下アームにおいてリードフレーム３６に高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂを接続してもよい。そして、下アームにおいて、リードフレーム３２に高耐圧ダイオード２０のアノード端子２０ａを接続してもよい。

・図１１に示すように、制御回路基板２００に平行にパワーモジュール１２０を配置することもできる（平置きタイプ）。この場合も、コレクタ端子Ｔ１に接続されたバスバー４１や、出力端子Ｔ５に接続されたバスバー４３にダイオード２０を接続することができる。各リードフレームは、制御回路基板２００に電気的に接続されている。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１，２に示すように、高耐圧ダイオード２０は、電圧検出端子Ｔ３を介してコレクタ端子Ｔ１にカソード端子２０ｂが接続され、制御回路基板２００にアノード端子２０ａが接続されている。このため、高耐圧ダイオード２０が短絡した場合に、制御回路基板２００に大電流が流れて故障が発生して周りに影響するおそれがある。

そこで、本実施形態では、コレクタ端子Ｔ１、高耐圧ダイオード２０、及び電圧検出部２１１（制御回路２１０、制御回路基板２００）を接続する所定経路に、ヒューズ機能を設けている。具体的には、図１２に示すように、高耐圧ダイオード２０は、ベアチップの状態である。高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂと、リードフレーム３１とが、ワイヤボンディングされてボンディングワイヤ５５により接続されている。ボンディングワイヤ５５（導体部）は、リードフレーム３１，３２よりも細く形成されており、上記電源電圧ＶＤＤに応じた大電流が流れた場合に溶断する。すなわち、ボンディングワイヤ５５によりヒューズ（ヒューズ機能）が構成されている。なお、図１２では、上記リードフレーム３３，３４等の表示を省略している。

上記構成によれば、高耐圧ダイオード２０が短絡した場合であっても、ボンディングワイヤ５５が溶断してコレクタ端子Ｔ１と制御回路基板２００とを切断することができる。したがって、スイッチング素子１０の出力電圧を検出するための高耐圧ダイオード２０を備える出力電圧検出装置１００において、制御回路基板２００に大電流が流れることによる故障の影響を抑制することができる。

高耐圧ダイオード２０は、ベアチップの状態である。このため、高耐圧ダイオード２０とリードフレーム３１とをワイヤボンディングして、それらをボンディングワイヤ５５により接続することができる。そして、ボンディングワイヤ５５によりヒューズ（ヒューズ機能）が構成されている。したがって、高耐圧ダイオード２０と、リードフレーム３１とを接続する機能と、ヒューズ機能とを、ボンディングワイヤ５５により兼ねることができる。さらに、制御回路基板２００及びパワーモジュール１２０の外部において、高耐圧ダイオード２０と、リードフレーム３１とが接続されることにより、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、第３実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。第３実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図１３に示すように、ボンディングワイヤ５５に代えて、リードフレーム３１，３２よりも細く形成されたバスバー５６（導体部）によりヒューズ（ヒューズ機能）を構成することもできる。バスバー５６は、高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂと、リードフレーム３１とを接続している。

図１４に示すように、リードフレーム３２においてリードフレーム３１よりも細く形成された細部３２ａ（導体部）によりヒューズ（ヒューズ機能）を構成することもできる。なお、高耐圧ダイオード２０のカソード端子２０ｂと、リードフレーム３１とは、配線５７により接続されている。

図１３，１４の構成によれば、制御回路基板２００においてヒューズ機能との絶縁距離を確保する必要がなく、制御回路基板２００が大型化することを抑制することができる。さらに、ヒューズ機能をパワーモジュール１２０に内蔵する必要がなく、パワーモジュール１２０が大型化することを抑制することができる。

なお、上記の各実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・ゲート抵抗器２２０、電流制限抵抗器２３０、ブランキング容量２４０が制御回路基板２００に含まれる例について説明したが、ゲート抵抗器２２０、電流制限抵抗器２３０、ブランキング容量２４０はパワーモジュール１２０側に含まれるように実装されてもよいし、制御回路基板２００およびパワーモジュール１２０の外側に実装されてもよい。

・第３実施形態及びその変更例のボンディングワイヤ５５、バスバー５６、及びリードフレーム３２の細部３２ａ（ヒューズ機能）を、第２実施形態に適用することもできる。また、パワーモジュール１２０及び制御回路基板２００の少なくとも一方にヒューズ機能を内蔵することもできる。すなわち、図１５に示すように、ヒューズ５８（ヒューズ機能）は、コレクタ端子Ｔ１、高耐圧ダイオード２０、及び電圧検出部２１１（制御回路２１０、制御回路基板２００）を接続する所定経路のいずれかの箇所に設けられていればよい。

１０…スイッチング素子、２０…高耐圧ダイオード、２０ａ…アノード端子、２０ｂ…カソード端子、２１…第１高耐圧ダイオード、２１ａ…アノード端子、２１ｂ…カソード端子、２２…第２高耐圧ダイオード、２２ａ…アノード端子、２２ｂ…カソード端子、３１…リードフレーム、３２…リードフレーム、３２ａ…細部、３６…リードフレーム、５５…ボンディングワイヤ、５６…バスバー、１００…スイッチング素子の出力電圧検出装置、１２０…パワーモジュール、２００…制御回路基板、２１０…制御回路、２１１…電圧検出部、３２０…電圧検出配線、Ｔ１…コレクタ端子、Ｔ２…エミッタ端子、Ｔ３…電圧検出端子。

Claims (5)

1. 第１出力端子（Ｔ１）及び第２出力端子（Ｔ２）を備えるスイッチング素子（１０）と、前記第１出力端子と前記第２出力端子の間の電位差である出力電圧を検出する制御回路基板（２００）と、を備えるスイッチング素子の出力電圧検出装置であって、
   前記第１出力端子にカソード端子（２０ｂ，２１ｂ）が接続され、前記制御回路基板にアノード端子（２０ａ，２２ａ）が接続されたダイオード（２０）と、
   前記第１出力端子、前記ダイオード、及び前記制御回路基板を接続する所定経路（３２０）に設けられたヒューズ機能（５５、５６、３２ａ、５８）と、
   を備えるスイッチング素子の出力電圧検出装置。
2. 前記スイッチング素子は、パワーモジュール（１２０）に内蔵されており、
   前記制御回路基板は、前記出力電圧を検出する検出部（２１１）を備え、
   前記第１出力端子に接続され、前記パワーモジュールの外部まで延びる第１導体板（３１，３６）と、
   前記検出部に接続され、前記制御回路基板の外部まで延びる第２導体板（３２）と、を備え、
   前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部において、前記ダイオードのカソード端子が前記第１導体板に接続され、前記ダイオードのアノード端子が前記第２導体板に接続されている、請求項１に記載のスイッチング素子の出力電圧検出装置。
3. 前記制御回路基板及び前記パワーモジュールの外部の前記所定経路において、前記第１導体板及び前記第２導体板よりも細く形成された導体部により前記ヒューズ機能が構成されている、請求項２に記載のスイッチング素子の出力電圧検出装置。
4. 前記ダイオードは、ベアチップの状態であり、
   前記ダイオードと、前記第１導体板又は前記第２導体板とが、ボンディングワイヤ（５５）により接続されており、
   前記ボンディングワイヤにより前記ヒューズ機能が構成されている、請求項２又は３に記載のスイッチング素子の出力電圧検出装置。
5. 前記パワーモジュールと前記制御回路基板とは、複数の所定導体板（３３，３４）により接続されており、
   前記第１出力端子には、電源電圧が印加される、請求項２～４のいずれか１項に記載のスイッチング素子の出力電圧検出装置。

Images