JP3747931B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に汎用インバータ装置、数値制御工作機械、エアコンなどの電力変換装置に内蔵される半導体装置に関する。

一般に、モータの可変速装置などに適用されるインバータ装置には、電力変換を行うパワー素子、このパワー素子を制御駆動するドライブ回路、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路から構成されている。最近では、これらの構成のうち、直流を交流に変換するパワー素子、ドライブ回路および保護回路を一つのパッケージに内蔵したインテリジェント・パワー・モジュール（以下、ＩＰＭという）と呼ばれる半導体装置が知られており（たとえば、特許文献１参照。）、製品化されている。このＩＰＭを使用したインバータの例を以下に示す。

図１０は従来のインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。インバータ装置は、二相または三相の交流電源に接続され、交流を直流に変換するコンバータ１と、平滑用の電解コンデンサ２と、ＩＰＭ３と、バッファ４、コントローラ５およびメモリを含む中央処理装置（ＣＰＵ・ＲＯＭ）６からなる制御回路と、スイッチングトランジスタ７、トランス８，９およびスイッチングレギュレータ１０からなるＩＰＭ３および制御回路用の電源回路と、ＩＰＭ３の出力とモータＭとの間に設置されたカレントトランスＣＴとから構成されている。

ＩＰＭ３は、パワー素子から構成されて出力がモータＭに接続される三相のインバータ１１と、このインバータ１１を制御駆動するプリドライバ１２と、保護回路１３と、過電流検出用のセンサ１４と、過熱検出用のセンサ１５と、モータＭの減速制御時に用いられるブレーキ用パワー素子１６および抵抗１７と、ブレーキ用パワー素子１６を制御駆動するプリドライバ１８とによって一体に構成されている。

制御回路からＩＰＭ３に対する制御信号は、バッファ４からフォトカプラを介してプリドライバ１２，１８に供給され、センサ１４，１５による過電流状態または過熱状態が検出されたときのアラーム信号は、保護回路１３からフォトカプラを介してバッファ４に供給される。また、カレントトランスＣＴの出力はコントローラ５に接続されている。

このカレントトランスＣＴは、ＩＰＭ３からモータＭへ流れる出力電流を検出してコントローラ５に帰還させることにより各種制御を行うもので、三つの貫通孔が設けられており、そこにインバータ１１の出力電流ラインであるワイヤまたはバーを挿通した状態でインバータ装置内に設けられている。

このような構成のインバータ装置において、コンバータ１により変換された直流電圧は、インバータ１１によってモータＭに供給する交流電圧に変換される。インバータ１１は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとによりブリッジが組まれ、そのＩＧＢＴで直流電圧をチョッピング制御することにより、最終的にモータに流す電流を交流にする。その交流の周波数を変えることで、モータの回転速度を可変にすることができる。

また、カレントトランスＣＴによって検出されたインバータ出力電流は、コントローラ５に入力され、このコントローラ５は、出力電流の波形に歪みが発生しないように制御したり、所定の出力電流値以上にならないように制御する。

図１１は従来のインバータ装置の電力変換回路の部分を示すブロック図である。電力変換回路は、コンバータ１とインバータ１１を含むＩＰＭ３との二つのモジュールによって構成されている。コンバータ１には、入出力端子として、丸印で示したモジュール端子２１〜２５が設けられ、ＩＰＭ３には、モジュール端子２６〜３０が設けられている。また、コンバータ１およびＩＰＭ３を含むインバータ装置の入出力端子として、大きな黒丸で示した端子台Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｐ１，Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗが設けられている。

コンバータ１およびＩＰＭ３のモジュール端子２１〜３０は、それぞれ対応する端子台に接続されているが、これらの接続は、たとえば銅バーをねじ止めすることによって実施している。また、コンバータ１およびインバータ１１を接続する部分、すなわち、端子台Ｐ１と端子台Ｐ２との間、およびモジュール端子２５とモジュール端子２７との間においても、銅バーをねじ止めすることによって接続を行っている。
特開平９−３１２３７６号公報

しかしながら、従来のインバータ装置では、モジュール端子と端子台との間の接続は、銅バーなどの線材をねじ止めすることによって行っているため、接続用取り付けねじが多く、配線も複雑で多くの組み立て工数を必要とし、また、配線用の設置スペースの確保も必要となるため、省スペースの制約条件となっているという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、組み込まれる装置の省スペース化を可能とし、また、配線用のスペースおよび組み立て工数の低減が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、ブリッジ回路を構成する複数のパワー半導体とこれら複数のパワー半導体を駆動するドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに組み込んでモジュール化した半導体装置において、前記パワー半導体による前記ブリッジ回路の入力および出力に接続されるモジュール端子をこの半導体装置が組み込まれる装置の端子台として構成し、前記ブリッジ回路の入力に接続された正極および負極のラインの前記パワー半導体の直近からそれぞれ引き出されて前記パワー半導体のスイッチング動作によるサージ電圧の抑制用素子を接続するための独立した端子を備えていることを特徴とする半導体装置が提供される。

このような半導体装置によれば、この半導体装置のモジュール端子とこの半導体装置が組み込まれる装置の端子台とが一体化され、モジュール端子と端子台とを接続するために線材および接続用取り付けねじが不要となり、配線用のスペースおよび組み立て工数を低減することができる。

また、本発明によれば、パワー半導体の直近から引き出されてパワー半導体のスイッチング動作によるサージ電圧の抑制用素子を接続するための独立した端子を備えている。

本発明では、モジュールの端子とインバータ装置の端子台とを一体化するように構成したことにより、内部の配線材および取り付けねじを省略することができ、設置スペースおよび組み立て工数を低減することができる。また、スナバ回路用の端子をパワー素子直近から引き出すように構成することにより、モジュール端子と端子台との一体化によって長くなった配線のインダクタンスの影響をなくすことができる。

以下、本発明の実施の形態を、ＩＰＭに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明を適用したＩＰＭを含むインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。この図１に示したインバータ装置は、図１０に示した従来のインバータ装置とほぼ同じ構成および作用を有しており、したがって、従来のインバータ装置を構成する構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付して、その詳細は省略する。従来のインバータ装置との相違点は、シャント抵抗３１がＩＰＭ３の出力ラインに直列に挿入された状態でＩＰＭ３に内蔵されていることと、このシャント抵抗３１の端子電圧をコントローラ５に帰還させるための絶縁アンプ３２あるいは絶縁アンプに代わる高耐圧ＩＣが設けられていることである。

このシャント抵抗３１は、その両端をパターンを介してＩＰＭ３の制御ピンまで配線されており、コントローラ５には出力電流を電圧値として与えることができ、モータＭに流れる出力電流をカレントトランスと同じように監視することができる。シャント抵抗３１をＩＰＭ３に内蔵することにより、インバータとしては、カレントトランスを省略することができ、設置スペースや配線工数を削減することができ、小型化することが可能になる。また、シャント抵抗３１の放熱を効率的に行うことができるようになる。

次に、この出力電流検出用のシャント抵抗３１の構成について説明する。
図２はシャント抵抗近傍のＩＰＭの一構成例を示す図である。シャント抵抗３１は、絶縁層３３と、接着層３４と、抵抗体３５とから構成されている。このシャント抵抗３１は、絶縁基板３６の上に、ＩＰＭ３を構成する機能素子、すなわちインバータ１１のパワー素子と一緒に搭載される。プリドライバ１２，１８、保護回路などの放熱の必要のない素子は、絶縁基板３６とは別のプリント基板などに搭載される。絶縁基板３６としては、金属絶縁基板を用いることができるが、ここでは、セラミック基板の表面に銅の回路パターンが形成されたものを用いており、そこにシャント抵抗３１が半田３７によって接合されている。この絶縁基板３６は、銅ベース３８に半田３９によって接合されている。

シャント抵抗３１をＩＰＭ３の絶縁基板３６の上に半田付けし、シャント抵抗３１にて発生した熱を絶縁基板３６と銅ベース３８を介して放熱する。シャント抵抗３１をＩＰＭ３に内蔵することで放熱性が良くなり、たとえば５０アンペア以上の大電流を出力することができるＩＰＭ３に適用することが可能になる。

次に、ＩＰＭに適用することができるシャント抵抗の別の構成例について説明する。
図３はシャント抵抗近傍のＩＰＭの別の構成例を示す図である。この構成例によれば、銅ベース３８上に半田３９を介して接合された絶縁基板３６の上に、抵抗体３５を直接蒸着することによってシャント抵抗３１を構成している。このように、絶縁基板３６の上に直接シャント抵抗３１を形成することで、抵抗体３５と銅ベース３８との間の熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。これにより、シャント抵抗３１の温度上昇を抑えることができ、インバータの許容負荷能力を上げることができる。

なお、この例では、抵抗体３５を絶縁基板３６に蒸着により形成したが、抵抗体３５を絶縁基板３６に圧接、接着、ろう付け、活性金属法などにより接合するようにしてもよい。

以上のようにして、シャント抵抗３１を絶縁基板３６上に搭載したが、これが搭載されるＩＰＭ３は、適用するインバータの仕様に応じて、出力電流の異なるものが製造される。したがって、ＩＰＭ３の定格出力電流に応じて、シャント抵抗３１の抵抗値を変える必要がある。このため、抵抗値の異なるシャント抵抗を複数用意し、必要に応じて最適な抵抗値を有するシャント抵抗を用いればよい。しかし、この場合、抵抗値の種類が多いため、シャント抵抗の取り扱い、在庫管理などが非常にわずらわしくなる。そこで、本発明では、使用するシャント抵抗３１は１種類とし、出力電流ラインとの間で接続されるワイヤのボンディング位置を変えることによって抵抗値を調整するようにした。その詳細を以下に説明する。

図４はシャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置を均等配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。シャント抵抗３１は、（Ａ）に示したように、抵抗体３５と、その両側に配置された導電性のボンディング領域４１，４２と、抵抗体３５の両側の一部と接続された導電性のセンス端子４３，４４とから構成される。ここで、ボンディング領域４１は、インバータ１１の電流出力ラインである絶縁基板３６上の回路パターン４５にボンディングワイヤ４６によって接続される領域であり、ボンディング領域４２は、このＩＰＭ３の出力に通じる電流出力ラインである絶縁基板３６上の回路パターン４７にボンディングワイヤ４８によって接続される領域である。ボンディング領域４１では、この中に一例として五つのボンディング位置４９が均等に配置され、ボンディング領域４２の中にも五つのボンディング位置５０が均等に配置されている。センス端子４３，４４も、図示はしないが、絶縁基板３６上の回路パターンに接続され、この回路パターンは外部装置、ここでは絶縁アンプ３２を介してコントローラ５へ接続するためのこのＩＰＭ３の制御ピンに通じている。

以上のように、ボンディングワイヤ４６，４８がボンディング領域４１，４２に均等にボンディングされている場合、電流密度および電流経路も抵抗体３５全面にわたって均等に分布され、抵抗体３５における等電位線は、（Ｂ）に示したように、平行に分布している。

ここで、一例として、このシャント抵抗３１にたとえば１００アンペアの電流を流した場合、センス端子４３，４４間の電圧は２５０ミリボルトであった。これは、センス端子４３，４４間から見た抵抗体３５の抵抗値が２．５ミリオームであることを示している。

図５はシャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置をセンス端子の反対側に偏倚配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。今度は、ボンディング領域４１，４２において、ボンディングワイヤ４６，４８のボンディング位置４９，５０をセンス端子４３，４４から離れた位置に密着配置した。この場合、電流密度および電流経路は、ボンディング位置４９とボンディング位置５０との間に集中して分布され、この間から離れた領域ほど電流密度は低くなる。したがって、抵抗体３５における等電位線は、（Ｂ）に示したように、ボンディング位置間のみ平行に分布し、センス端子４３，４４の側では等電位線の間隔が広くなっている。

このとき、このシャント抵抗３１に１００アンペアの電流を流した場合のセンス端子４３，４４に延びている等電位線間の電位差は１８１ミリボルトであった。これは、センス端子４３，４４間から見た抵抗体３５の抵抗値が１．８１ミリオームであることを示し、等間隔ボンディングの場合よりも低くなっている。

図６はシャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置をセンス端子の側に偏倚配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。ボンディングワイヤ４６，４８のボンディング位置４９，５０がボンディング領域４１，４２のセンス端子４３，４４の近くに密着配置されている場合、電流密度および電流経路は、ボンディング位置４９とボンディング位置５０との間に集中して分布され、このときの抵抗体３５における等電位線は、（Ｂ）に示したように分布している。

このとき、このシャント抵抗３１に１００アンペアの電流を流した場合のセンス端子４３，４４における等電位線間の電位差は２９０ミリボルトであった。これは、センス端子４３，４４間から見た抵抗体３５の抵抗値が２．９ミリオームであることを示し、ボンディング位置がセンス端子４３，４４に近くなるほど、抵抗値の上昇する傾向があることが分かる。

このように、ワイヤの位置を変えることによってシャント抵抗３１の抵抗値が変わる特性を利用することにより、一種類のシャント抵抗で抵抗値の異なるものを実現することができ、インバータの仕様に合わせて各種抵抗値のシャント抵抗を用意しておく必要がない。

また、本インバータ装置では、ＩＰＭ３のモジュール端子とインバータ装置の端子台とを一体化して、配線用の銅バーおよびそれらの取り付けねじを省略することができる構成にした。以下、この構成について説明する。

図７はインバータ装置の電力変換回路を示すブロック図である。電力変換回路は、コンバータ１とＩＰＭ３との二つのモジュールによって構成されている。コンバータ１は、その入出力端子としてモジュール端子を備えているが、その中の入力端子および正極出力端子についてはインバータ装置の交流入力用の端子台Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｐ１と一体化してあり、配線用の銅バーおよびその取り付けねじを不要にしている。なお、コンバータ１のモジュール端子２４，２５は電解コンデンサ接続用の端子である。

ＩＰＭ３についても、入力側のモジュール端子はインバータ装置の直流入力用の端子台Ｐ２，Ｎと一体化してあり、出力側のモジュール端子も端子台Ｕ，Ｖ，Ｗと一体化されている。また、ＩＰＭ３のインバータ１１を構成するＩＧＢＴの直近に、モジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２が設けられている。これらのモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２は、ＩＧＢＴのスイッチング動作時に発生するサージ電圧抑制のためのスナバ回路用コンデンサを接続するのに使用される。

このように、ＩＰＭ３の入力側のモジュール端子を端子台Ｐ２，Ｎと一体化したことにより、構造的に端子台Ｐ２，ＮとＩＧＢＴとの間の配線が長くなり、端子台Ｐ２，ＮからＩＧＢＴまでの内部配線のインダクタンスＬ１，Ｌ２が増えてしまう傾向にある。特に、中・大容量のインバータ装置では、配線のインダクタンスＬ１，Ｌ２がＩＧＢＴのスイッチング動作時に大きなサージ電圧を発生し、そのサージ電圧がＩＧＢＴを破壊するといった現象が起きる。しかし、これを防ぐためのスナバ回路用のモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２をＩＧＢＴの直近に設けたことにより、端子台Ｐ２，ＮとＩＧＢＴとの間のインダクタンスＬ１，Ｌ２の影響をなくすことを可能にしている。

図８はＩＰＭの概観例を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は端子台の部分断面図、（Ｄ）は背面図、（Ｅ）は右側面図である。ＩＰＭ３は、銅ベース３８の外周部に搭載されたフレームに、このモジュール端子と一体化されたインバータ装置の端子台Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗと、スナバ回路用のモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２と、外部の制御回路と接続するための制御ピンを有するコネクタ５１とを備えている。端子台Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗは二組設けられ、一方はフレームの上面、他方はフレームの正面に設けられている。このフレームの中央部は、絶縁基板３６上に形成されたＩＧＢＴ、プリドライバ１２，１８、保護回路１３、シャント抵抗３１などが位置しており、蓋５２によって封止されている。

この蓋５２の上部には、スナバ回路用の２個のコンデンサが配置され、それぞれモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｎ（−）１およびＰ（＋）２，Ｎ（−）２と直接接続される。端子台Ｐ２は、コンバータ１の端子台Ｐ１および電解コンデンサに接続され、端子台Ｕ，Ｖ，Ｗは、モータＭに接続される。

このＩＰＭ３のモジュール端子とインバータ装置の端子台とにおいて、共用できる部分を内部配線５３によって一体化したことにより、配線用の銅バーおよびこれを取り付けるためのねじが不要となり、組み立て工数の大幅な低減と設置スペースの削減に大いに寄与する。

また、スナバ回路用のモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２を単独に設け、ＩＧＢＴの直近の回路パターンと接続するようにしたので、モジュール端子とインバータ装置の端子台とを一体化したことによって端子台とＩＧＢＴとの間の内部配線５３が長くなって、その内部配線５３のインダクタンスが増えたとしても、ＩＧＢＴの直近でスナバ回路がスイッチング時に発生するサージ電圧を直接抑制するよう動作するため、実質的にインダクタンスの存在は無視することができ、サージ電圧によるＩＧＢＴの破壊を確実に防止することができる。

図９はＩＰＭの別の概観例を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は端子台の部分断面図、（Ｅ）は端子台近傍の底面図、（Ｆ）は右側面図である。この例によれば、ＩＰＭ３は、このモジュール端子と一体化されたインバータ装置の端子台Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗと、スナバ回路用のモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２と、外部の制御回路と接続するための制御ピンを有するコネクタ５１とを備えている。端子台Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗは、フレームの上面に二組設けられている。このフレームの中央部は、絶縁基板３６上に形成されたＩＧＢＴ、プリドライバ１２，１８、保護回路１３、シャント抵抗３１などが位置しており、蓋５２によって封止されている。

モジュール端子Ｐ（＋）１，Ｎ（−）１およびＰ（＋）２，Ｎ（−）２は、蓋５２の上部に配置されたスナバ回路用の２個のコンデンサと直接接続され、端子台Ｐ２は、コンバータ１の端子台Ｐ１および電解コンデンサに接続され、端子台Ｕ，Ｖ，Ｗは、モータＭに接続される。

このＩＰＭ３においても、モジュール端子とインバータ装置の端子台とを内部配線５３により一体化し、配線用の銅バーおよびこれを取り付けるためのねじを不要にしている。また、スナバ回路用のモジュール端子Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２をＩＧＢＴの直近の回路パターンに接続した構成にしたことにより、ＩＧＢＴの直近でスナバ回路が動作し、インバータ装置の端子台とＩＧＢＴとの間の配線のインダクタンスによる影響を無視することが可能になる。

本発明を適用したＩＰＭを含むインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。 シャント抵抗近傍のＩＰＭの一構成例を示す図である。 シャント抵抗近傍のＩＰＭの別の構成例を示す図である。 シャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置を均等配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。 シャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置をセンス端子の反対側に偏倚配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。 シャント抵抗の平面図であって、（Ａ）はボンディング位置をセンス端子の側に偏倚配置した状態を示し、（Ｂ）は等電位線を示している。 インバータ装置の電力変換回路を示すブロック図である。 ＩＰＭの概観例を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は端子台の部分断面図、（Ｄ）は背面図、（Ｅ）は右側面図である。 ＩＰＭの別の概観例を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は端子台の部分断面図、（Ｅ）は端子台近傍の底面図、（Ｆ）は右側面図である。 従来のインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。 従来のインバータ装置の電力変換回路の部分を示すブロック図である。

符号の説明

１ コンバータ
２ 電解コンデンサ
３ インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）
４ バッファ
５ コントローラ
６ 中央処理装置
７ スイッチングトランジスタ
８，９ トランス
１０ スイッチングレギュレータ
１１ インバータ
１２，１８ プリドライバ
１３ 保護回路
１４，１５ センサ
１６ ブレーキ用パワー素子
１７ 抵抗
３１ シャント抵抗
３２ 絶縁アンプ
３３ 絶縁層
３４ 接着層
３５ 抵抗体
３６ 絶縁基板
３７，３９ 半田
３８ 銅ベース
４１，４２ ボンディング領域
４３，４４ センス端子
４５ 回路パターン
４６，４８ ボンディングワイヤ
４７ 回路パターン
４９，５０ ボンディング位置
５１ コネクタ
５２ 蓋
Ｍ モータ
Ｐ（＋）１，Ｐ（＋）２，Ｎ（−）１，Ｎ（−）２ モジュール端子
Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｐ１，Ｐ２，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ 端子台

Claims (2)

1. ブリッジ回路を構成する複数のパワー半導体とこれら複数のパワー半導体を駆動するドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに組み込んでモジュール化した半導体装置において、
   前記パワー半導体による前記ブリッジ回路の入力および出力に接続されるモジュール端子をこの半導体装置が組み込まれる装置の端子台として構成し、
   前記ブリッジ回路の入力に接続された正極および負極のラインの前記パワー半導体の直近からそれぞれ引き出されて前記パワー半導体のスイッチング動作によるサージ電圧の抑制用素子を接続するための独立した端子を備えていることを特徴とする半導体装置。
2. ブリッジ回路を構成する複数のパワー半導体とこれら複数のパワー半導体を駆動するドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに格納してモジュール化し、インバータ装置に組み込んで用いる半導体装置において、
   前記パワー半導体による前記ブリッジ回路の入力および出力に接続されるモジュール端子を前記インバータ装置の端子台と一体化するとともに、前記ブリッジ回路の入力に接続された正極および負極のラインの前記パワー半導体の直近からそれぞれ引き出されて前記パワー半導体のスイッチング動作によるサージ電圧の抑制用素子を接続するための独立した端子を備えていることを特徴とする半導体装置。

Images