JP4487635B2

JP4487635B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4487635B2
Application number: JP2004155490A
Authority: JP
Inventors: 豊田島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: JP2005340404A

Description

本発明は電源と電動機を駆動制御する駆動回路との間に設けられた半導体装置、たとえば電動自動車の電源と駆動輪を駆動する走行モータの駆動回路との間に設けられた半導体装置に関するものである。

従来、電動機もしくは電動機を駆動するインバータ装置等の駆動回路の短絡故障対策として、電源と駆動回路との間にヒューズまたはリレー（あるいはコンタクター）を設けている。また、電源に接続される負荷としての駆動回路が複数有るときには、それぞれの駆動回路に対してヒューズまたはリレー（あるいはコンタクター）を接続することが通常である。

特開平７−２３５２３号公報特開平１１−１８７５０６号公報

しかしながら、短絡故障対策としてヒューズを採る場合は、短絡が生じ短絡電流が非常に大きく流れてヒューズが溶断するが、通常は電気自動車の電源、または電源に直列接続された昇降圧回路の電流供給能力に有限限度があるので、大きな短絡電流が流れた際に電源電圧が相当低下する可能性が高い。このため、駆動回路の１個に短絡故障が生じると、他の駆動回路に対する電源電圧が低下することにより、他の駆動回路もフェール状態となり動作を停止してしまう。よって、電気自動車としての安定走行に対して障害が生じる。

また、前述の短絡故障対策としてリレー（またはコンタクター）を採る場合は、電流が所定の値を超えたことを検知し、かつ電流が所定の値を超えたときにリレーをオフならしめる手段が設けられる。この場合、短絡電流により電流が所定の値を超えれば、リレー接点をオフして、電源と短絡が生じた駆動回路とを電気的に乖離させる。この時、短絡による大きな電流が流れているときに、リレーの接点を開放させるのでアーク放電が起き易く、過剰なアーク放電が生じると、リレーの故障に至る可能性が大きい。

このリレーのアーク放電対策として、リレー筐体の大型化や難燃性材料の使用、もしくは磁石使用によるアーク経路の延長、または水素ガス封入によるアークの冷却等の構造を用いる場合もある。しかし、これらいずれの場合も、リレー（またはコンタクター）の大型化、コスト増大が著しい。

また、上述のリレー開放時のアーク放電対策として、たとえばリレーに並列に抵抗を接続して、開放時に電流を抵抗にバイパスさせる構成もある（特許文献１）。

この場合は抵抗の値が大きいと、抵抗に流れる電流が小さくなり、上述のアーク放電対策効果が十分に生じない。一方、抵抗の値が小さいと、リレーがオンのときにも抵抗に相当程度の電流が定常的に流れてしまうから、抵抗部分での発熱が生じ、リレー部分の信頼性劣化、または抵抗の冷却装置付加によるコスト増大という著しい不具合が生じる。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、短絡が生じたときに電源電圧が低下することがなくかつ故障することがない半導体装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、リレー素子とヒューズ回路とからなる並列回路を設け、上記ヒューズ回路の基板上に配設された第１の電極上に半導体素子を実装し、上記半導体素子の表面電極と上記基板上に配設された第２の電極とを１本あるいは複数本のアルミ配線で接続し、上記リレー素子に流れる電流が所定の値より大きいか否かを検出する電流検出手段を設け、上記リレー素子に流れる電流の値が上記所定の値を超えたとき上記電流検出手段が上記リレー素子をオフにするようにする。

本発明に係る半導体装置においては、短絡発生時にヒューズ回路のアルミ配線を速やかに溶断させることが可能であるから、電源電圧が低下することがなく、またリレー接点は電流が流れていない状態で開放させられるから、アーク放電等による損傷懸念がなく、故障することがない。

図１は本発明に係る半導体装置を有する電気自動車の駆動部を示す図である。図に示すように、４つの駆動輪１００をそれぞれ駆動する４つの走行モータ（電動機）１０１が設けられ、走行モータ１０１を駆動制御するインバータ装置（駆動回路）１０２が設けられ、電源１０４とインバータ装置１０２との間に半導体装置１０３が設けられている。なお、電源１０４はたとえばバッテリー電源、あるいは燃料電池車の出力電源、またはハイブリッド電動自動車の電源出力の何れでもよい。

（第１の実施の形態）
図２は本発明に係る半導体装置の断面構造を示す模式図、図３は図２に示した半導体装置の回路構成を示す模式図である。図に示すように、リレー素子１０５に電気的に並列にヒューズ回路１０６が接続され、ヒューズ回路１０６はリレー素子１０５に対して着脱可能な形態にて電気的および機械的に接続されている。また、ヒューズ回路１０６の基板１０７上に配設された第１の電極１０９上にダイオード（半導体素子）１１０が電流方向に対して順方向になるように実装され、ダイオード１１０の表面電極と、基板１０７上に配設された第２の電極１０８とが１本あるいは複数本の純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミ配線１１１により接続されている。また、リレー素子１０５に流れる電流が所定の値より大きいか否かを検出する電流検出手段（図示せず）が設けられ、リレー素子１０５に流れる電流の値がこの所定の値を超えたとき、電流検出手段がリレー素子１０５のリレー接点を開放して、リレー素子１０５をオフにする。

この半導体装置においては、走行モータ１０１もしくはインバータ回路１０２で短絡などの故障が生じて、リレー素子１０５を流れる電流が増加した場合、この電流が所定の値より大きくなれば、電流検出手段によってリレー素子１０５のリレー接点が開放し始める。このリレー接点が開放し始めた瞬間に、リレー素子１０５と電気的に並列接続されているヒューズ回路１０６部分にも電位差が生じ、前述の短絡に係る電流がヒューズ回路１０６に流れ込む。したがって、第１に、リレー接点は電流が流れていない状態で開放させられるので、アーク放電等による損傷懸念がない。このため、アーク放電によるリレー素子１０５の故障を防ぐために、リレー素子１０５の筐体を大型化したり、難燃性材料を用いたり、筐体内部に水素ガスを充填するような対策構造が不要である。この結果、リレー素子１０５の大幅な小型化、低コスト化、応答時間の短縮を図ることができる。第２に、ヒューズ回路１０６においてアルミ配線１１１の溶断電流や溶断時間は、アルミ配線１１１の径や長さ、本数によって容易に設計できる。よって、短絡発生時に流入する短絡電流によって、速やかに溶断させることが可能であり、短絡電流による駆動回路の過剰な故障、および電源電圧降下に伴う他の走行モータ１０１やインバータ回路１０２に与える悪影響もない。さらに、ヒューズ回路１０６も低コストで形成できる。

特に、アルミ配線１１１をアルミニウムワイヤボンディング線を用いて形成したときには、前述の溶断時間短縮や溶断時間設計容易化に加えて、次の効果も生じる。まず、通常の半導体装置製造工程を用いて容易に、即ち低コストで製造できる。つぎに、基板１０７とアルミ配線１１１とダイオード１１０とを一体化することも容易である。このため、基板とヒューズ等を別体構造で形成した場合に生じる基板とヒューズ、その他構造体部分との電気的接触に接触不良等の不具合が生じる懸念が長期の使用を考慮しても生じにくい。さらに、後述するが、アルミ配線１１１部分に絶縁ゲルなどの保護材料を充填することも容易である。このことにより大電流通電でアルミ線１１１からなるヒューズが溶断したときに、溶断部分にアーク放電が生じてしまうなどという問題も起きない。

なお、図２、図３に示した半導体装置は、インバータ装置１０２等に短絡故障が生じた際に短絡箇所を電源１０４から電気的に遮断する為に動作することを主な目的として構成させる。よって、オンオフを頻繁に繰り返す必要がない。

また、リレー素子１０５に対して、ヒューズ回路１０６を着脱可能な形態にて電気的および機械的に接続しているから、故障個所や破壊個所の修理交換を終えたのちに、溶断したヒューズ回路１０６を外して、新規のヒューズ回路１０６をリレー素子１０５に電気的、機械的に並列接続することも容易である。

また、リレー素子１０５に流れる電流が所定の値より大きいか否かを検出し、所定の値より大きいときにリレー接点を開放する電流検出手段は、電子回路に限らず、たとえばソレノイドなどを用いての電磁気的な手段によってもよい。

また、順方向接続されたダイオード１１０を用いているから、以下の効果も生じる。まず、インバータ装置１０２が故障なく動作し、リレー素子１０５がオンしている間は、ダイオード１１０の半導体接合部分の電圧降下によって電流はヒューズ回路１０６部分に流れず、全てリレー素子１０５を流れる。そして、短絡発生によってリレー素子１０５が開放し始めた瞬間に、短絡に掛かる電流がヒューズ回路１０６に流れる。つまり、リレー素子１０５のオン抵抗は通常十分に小さいので、リレー素子１０５での電圧降下も小さい。このため、通常１Ｖ前後程度の電圧降下を生じてしまうダイオード１１０部分には電流は流れない。よって、通常動作時においてはヒューズ１０６の部分に発熱が生ずることがなく、また電流が定常的に流れることに対する信頼性懸念も一切生じない。さらに、ヒューズ回路１０６のアルミ配線１１１の溶断電流は、リレー素子１０５がオンしている間にリレー素子１０５に流れる電流よりも小さくてもよい。よって、前述したヒューズ回路１０６の溶断までの時間を短くすることができ、さらに一層短絡電流によるインバータ装置１０２の過剰な故障、および電源電圧降下に伴う他の走行モータ１０１やインバータ装置１０２に与える悪影響も抑えることができる。さらに、ヒューズ回路１０６も低コストで形成できる。

なお、ダイオード１１０はヒューズ回路１０６に流れる電流によりたとえ短絡故障してしまっても、アルミ配線１１１が溶断するので、ヒューズとしての機能に支障はない。よって、ダイオード１１０の電流容量を大きくすることによるコストアップ懸念はない。

また、ヒューズ回路１０６のアルミ配線１１１に直列にダイオード１１０を接続しているから、たとえばアルミ配線１１１に単純な抵抗体を接続するような構成に対して次の効果がある。まず、単純に抵抗体を用いてしまうと、リレー素子１０５がオンの時でも、ある程度の電流がヒューズ回路１０６に流れる。ここで、抵抗体の抵抗値が小さいと、ヒューズ回路１０６部分の電流が大きくなるから、定常的に大きな発熱が生じたり、電流が継続することに対する信頼性懸念が生じる。一方、抵抗体の抵抗値が大きいと、リレー素子１０５を開放せしめた際に、ヒューズ回路１０６に流れ込む電流が小さく、本来の目的であるリレー接点開放時のアーク放電抑制という効果が損なわれる。しかし、ダイオード１１０を接続したときには、リレー素子１０５がオン状態時では、ヒューズ回路１０６に電流が流れない。そして、リレー素子１０５のリレー接点を開放したときには、ヒューズ回路１０６の抵抗値を十分に小さくできる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明に係る他の半導体装置の断面構造を示す模式図、図５は図４に示した半導体装置の回路構成を示す模式図である。図に示すように、ダイオード１１０の代わりにトランジスタ２００が接続されている。また、リレー素子１０５に流れる電流が所定の値を超えたかを検出する電流検出手段が、リレー素子１０５に流れる電流の値を検出する電流検出回路（図示せず）を有するとともに、電流が所定の値を超えたときに、リレー素子１０５をオフならしめ、かつトランジスタ２００をオンならしめる出力を発する制御回路２０１を有している。この他の構成は第１の実施の形態と同様である。

ここで、トランジスタ２００を充分にターンオンさせるために、制御回路２０１によりトランジスタ２００を強くバイアスしてもよい。

さらに、制御回路２０１は半導体装置１０３の内部あるいはインバータ装置１０２の内部に配置される。

この半導体装置においては、第１の実施の形態で述べた効果は全て同様に生じ、さらに以下の効果が生じる。第１に、制御回路２０１によりトランジスタ２００をオンさせる構成としたので、たとえばインバータ装置１０２に短絡故障が生じた瞬間に制御回路２０１の出力をもって、リレー素子１０５を開放させることができ、トランジスタ２００をオンさせることができる。このことにより、実際に短絡電流が増加したことを待ってリレー素子１０５が動作するのではなく、故障が発生し、短絡電流の発生が不可避になった時点で、リレー素子１０５の動作を開始できる。よって、短絡電流が過剰に大きくなる前にリレー素子１０５のリレー接点を開放できるので、アーク放電抑制と、電源電圧降下抑制をさらに図ることができる。第２に、短絡が発生していない状態では、トランジスタ２００をオフしていることによりヒューズ回路１０６に電流が流れることがあり得なくなるから、ヒューズ回路１０６の発熱が生じ得ないとともに、アルミ配線１１１の溶断電流を小さく設計することもさらに容易になる。

なお、制御回路２０１によってリレー素子１０５の開放の信号と、トランジスタ２００をオンさせる信号を同時に出しても、通常はトランジスタ２００の動作、つまりオンの方が速くなされるので、本発明の効果は問題なく生じる。即ち、リレー素子１０５の開放の信号と、トランジスタ２００をオンさせる信号に関して、タイミングを整合させるなどの回路的な対処は特に必要なく、コストアップ懸念はない。

（第３の実施の形態）
図６は本発明に係る他の半導体装置の回路構成を示す模式図である。図に示すように、半導体素子として逆並列接続された複数のダイオード３００を接続する。この他の構成は第１の実施の形態と同様である。

この半導体装置においては、ダイオード３００を複数個用いて逆並列接続したので、電流が交流である場合即ち向きが逆転する場合においても、第１の実施の形態の効果を全て発揮させることができる。

なお、第２の実施の形態においても、トランジスタ２００を複数個逆並列させる構成にすれば、同様の効果が生じる。

（第４の実施の形態）
図７は本発明に係る他の半導体装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、ダイオード１１０の表面電極を、絶縁材料（固体絶縁物）４００で蔽う構成としている。この他の構成は第１の実施の形態と同様である。

この半導体装置においては、第１の実施の形態で述べた効果は全て同様に生じ、さらに以下の効果が生じる。すなわち、ヒューズ回路１０６のアルミ配線１１１部分の一部分、つまりダイオード１１０の表面電極を絶縁材料４００で覆っているから、アルミ配線１１１が溶断したときに、この溶断部分にアーク放電が生じてしまうことをさらに確実に防止できる。

なお、絶縁材料４００を電極１０８側に設けても効果は同様である。

さらに、第２、第３の実施の形態に対して本構成を採れば、各実施の形態の効果に加えて、上記の効果も生じる。

なお、以上述べた各構成には、アルミ配線１１１部分を、気中に設けてもよく、また絶縁ゲルやエポキシ樹脂で覆ってもよい。そして、アルミ配線１１１部分を気中に設けたときには、形成容易である上に、アルミ配線１１１の溶断を容易化できる。また、アルミ配線１１１部分を絶縁ゲルなどの柔らかい絶縁材料で覆ったときには、アルミ配線１１１が溶断する際のアルミニウム合金等が溶け出す空間を作れることができ、アルミ配線１１１の溶断を容易にでき、さらに溶断時のアーク放電を確実に防止できる。さらに、アルミ配線１１１部分をエポキシ樹脂等の絶縁材料で覆ったときには、エポキシ樹脂等の絶縁材料は工業的に多く用いられから、容易に形成でき、また前述のようにアーク放電懸念もない。

また、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、以上の実施の形態のいずれかを組み合わせてもよい。

本発明に係る半導体装置を有する電気自動車の駆動部を示す図である。本発明に係る半導体装置の断面構造を示す模式図である。図２に示した半導体装置の回路構成を示す模式図である。本発明に係る他の半導体装置の断面構造を示す模式図である。図４に示した半導体装置の回路構成を示す模式図である。本発明に係る他の半導体装置の回路構成を示す模式図である。本発明に係る他の半導体装置の断面構造を示す模式図である。

符号の説明

１００…駆動輪１０１…走行モータ
１０２…インバータ装置１０３…半導体装置
１０４…電源１０５…リレー素子
１０６…ヒューズ回路１０７…基板
１０８…第２の電極１０９…第１の電極
１１０…ダイオード１１１…アルミ配線
２００…トランジスタ２０１…制御回路
３００…ダイオード４００…絶縁材料

Claims

電源と電動機を駆動制御する駆動回路との間に設けられた半導体装置において、
リレー素子とヒューズ回路とからなる並列回路を有し、
上記ヒューズ回路の基板上に配設された第１の電極上に半導体素子を実装し、
上記半導体素子の表面電極と上記基板上に配設された第２の電極とを１本あるいは複数本のアルミ配線で接続し、
上記リレー素子に流れる電流が所定の値より大きいか否かを検出する電流検出手段を設け、
上記リレー素子に流れる電流の値が上記所定の値を超えたとき上記電流検出手段が上記リレー素子をオフにする
ことを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ヒューズ回路が着脱可能に電気的および機械的に上記リレー素子に接続されたことを特徴とする半導体装置。
請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記半導体素子が順方向接続されたダイオードであることを特徴とする半導体装置。
請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記半導体素子がトランジスタであり、
上記電流検出手段が、上記リレー素子に流れる電流の値を検出する回路を有するとともに、上記電流が上記所定の値を超えたとき、上記リレー素子をオフにし、かつ上記トランジスタをオンにする出力を発する制御回路を有することを特徴とする半導体装置。
請求項４に記載の半導体装置において、
上記制御回路が上記半導体装置の内部または上記駆動回路の内部に配置されたことを特徴とする半導体装置。
請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記半導体素子が逆並列接続された複数のダイオードまたはトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置において、
上記半導体素子の表面電極、上記第２の電極の少なくとも一方を絶縁材料で蔽ったことを特徴とする半導体装置。