JP5034800B2 - 半導体装置およびそれを備えたインバータシステム - Google Patents
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Description
遮断機構の例としては、例えば、配線の一部を細くして溶断しやすい構造にしている(例えば、特許文献1参照)。
また、自動車技術用の遮断機構として、ヒューズエレメントが少なくとも2つの接点要素と半田にて接合され、流れる電流により加熱され所定の温度を超えると、半田が軟化または溶融し、ヒューズエレメントと少なくとも2つの接点要素との間の電気的接触がばねにより分離されるように形成されるものがあった(例えば、特許文献2参照。)。
また、特許文献2に記載の遮断機構においても、同様にヒューズエレメントと少なくとも2つの接点要素との間の電気的接触がばねにより分離されるとき、アークが発生する。電圧が低いときはアークが発生してもすぐ消弧され遮断されるが、電圧が高いときは消弧することが困難になり、単に電気的接触をばねにより分離するだけでは電流遮断が困難となり電流が流れ続ける。
また、このような半導体装置を備え、信頼性が高く、かつ小型、低コストのインバータシステムを提供することである。
上記主電流通電部は、上記半導体チップ側に配置された第1の導体、上記外部接続端子側に配置された第2の導体、上記第1の導体と上記第2の導体との間に配置されたブリッジ導体、上記第1の導体と上記ブリッジ導体、および上記第2の導体と上記ブリッジ導体との間を電気的に接続する半田、上記第1の導体または上記第2の導体のいずれか一方と上記ブリッジ導体とを連結し、少なくとも上記連結部において可とう性を有する可動薄板、上記ブリッジ導体の下部に取り付けられたヒーター、並びに上記ヒーターを上記ブリッジ導体の方向に押圧するように配置されたばねを備え、
上記電流遮断部は、ヒューズを備え、
通常の電流通電時には、上記主電流通電部と上記電流遮断部の抵抗比により主に上記主電流通電部に電流が流れるようにし、
電流遮断時には、上記遮断制御部より上記ヒーターに通電して上記半田を溶かし、上記ブリッジ導体を上記連結部を中心として回動させ、上記第1の導体または上記第2の導体と上記ブリッジ導体とを開離させて上記主電流通電部の通電路を断路し、電流を上記電流遮断部に転流させ、上記ヒューズにて上記電流を遮断するものである。
図1はこの発明の実施の形態1による半導体装置を示すブロック構成図、図2は図1のA−A線に沿った断面を示す断面構成図、図3は本実施の形態に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
本実施の形態の半導体装置は、図1に示すように、半導体モジュール100に電気的に接続された遮断機構部21と、遮断機構部を制御する遮断制御部20とを備えている。
遮断機構部21は、主電流通電部21aと電流遮断部21bとが並列に配置されている。遮断制御部20は、電流異常を検出する検出装置22を備えるとともに、検出装置22により電流異常を検出すると主電流通電部21aのヒーター35(図3)に電流を流すヒーター電源7を備えている。
また、半導体モジュール100は、半導体チップ1の表面に形成された半田付けに適したメタル層2、メタル層2に半田8により接合されている配線板3を有する。
半導体チップ1、セラミック基板9、配線板3、ベース板10等は樹脂11でモールドされている。
なお、配線板3は、遮断機構部21に接続され、遮断機構部21を介して一方の外部接続端子4に接続される。
また、半導体チップ1は、制御信号配線12により他方の外部接続端子13に接続されている。
ワイヤ5は銅ワイヤやアルミワイヤが用いられる。ワイヤ5の本数と断面積は、遮断する電流値と必要な溶断時間によって決めるものである。
以下、図3により主電流通電部21aの構成を説明する。
絶縁ベース40を挟んで、L字状の第1の導体31と第2の導体32とが配置され、各一端を橋絡するようにブリッジ導体33が配置されている。
第1の導体31とブリッジ導体33との間、および第2の導体32とブリッジ導体33との間は半田34にて電気的に接続されている。
また、ブリッジ導体33と第2の導体32とは可動薄板41にて連結されており。可動薄板41は、少なくとも上記連結部において可とう性を有する。
ブリッジ導体33の下部にはセラミックヒーター35が接着剤により物理的に取り付けられている。
また、ばね37がばねカバー36を介して、セラミックヒーター35を図の上方(ブリッジ導体33の方向)に押し上げるように縮められて配置されている。
また、ばねカバー36の底部に、ばねカバー突起部36aを設けると共に、絶縁ベース40に、ばね37とばねカバー36との動きを規制するばねカバーガイド40aを設け、ばね37が伸びたとき、ばねカバー36の底部に設けたばねカバー突起部36aと、絶縁ベース40に設けたばねカバーガイド40aが接触し、ばね37およびばねカバー36が外れて飛び出さないように構成されている。
半導体モジュール100の配線板3と、上記第1の導体31の外部接続部31aとが電気的に接続され、主電流が、第1の導体31、ブリッジ導体33、第2の導体32を通り、第2の導体32の外部接続部32aから外部端子4に流れる。
また、ヒーター35は、図示していないがヒーター電源7と接続されている。
これにより、通常動作時と短絡時とで電流値の大きさがほとんどかわらない場合であっても、通常動作時と短絡時との電流波形の違いを利用して、容易に短絡故障を検知することができる。
短絡故障を検出する原理は、通常動作時には半導体チップ1がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ1がスイッチングされないため、通常動作時と短絡時との電流波形が異なることに基づくもので、検出装置22は上記電流波形の違いを解析して短絡故障を検出する。
検出装置22は、ゲート・オフ時にコレクタ/エミッタ間を電流が流れることをもって短絡発生と判断する。コレクタ/エミッタ間の電流は、図4に示すように、通常時は所定のサイクルでON・OFFされる。すなわち、ゲート・オフ時にはコレクタ/エミッタ間の電流が実質的に0となる。この時間帯に電流が流れていれば異常と判断する。具体的には以下のような方法が考えられるがこれは例示であり、これらに限るものではない。
たとえば、図示しないコンパレータを用いて電流値Iが所定の第1の電流値I0以下を継続する時間αk(kは電流値I0以下を継続する時間が出現する度に付けられる連番である)を求め、求めた時間αkが所定の第1の時間αTH以下であれば異常とする。この第1の時間αTHは通常時のαk0から時間のばらつきを考慮した尤度を減算した値である。
また、他の方法として、電流値Iが所定の第3の電流値ITH以上のとき異常とする。
半導体チップ1に過電流が流れることにより発生する故障の場合、短絡故障するケースが大部分である。そして、短絡故障した場合、半導体チップ1を流れる電流は配線板3を流れ、それから並列接続された主電流通電部21aと電流遮断部21bとを流れる。このとき主電流通電部21aと電流遮断部21bとにそれぞれ流れる電流は、主電流通電部21aと電流遮断部21bとの抵抗比により決まり、電流は主に抵抗の低い主電流通電部21aに流れる。
コレクタ/エミッタ間を流れる短絡電流を、例えば外部接続端子4または配線板3に設けたセンサで計測し、検出装置22で解析して短絡故障が発生したことを検出する。
短絡故障を検出した検出装置22は、ヒーター電源7にヒーター電源7をオンするように指令する。
オンするように指令されたヒーター電源7は、ヒーター35に電力を供給する。
また、ばね37の押上力により、ばね37とばねカバー36とが上方に所定距離動くと、ばねカバー36の底部に設けたばねカバー突起部36aと、絶縁ベース40に設けたばねカバーガイド40aが接触し、ブリッジ導体33と第1の導体31との間には一定の隙間ができ、主電流通電部21aの通電路が断路する。
また、上記可動薄板41としては、たとえば片面に粘着性を有する絶縁性のカプトンテープ、あるいは片面に粘着性を有する導電性のアルミテープや銅テープ等を用いても良い。
また、ブリッジ導体33と第2の導体32との連結部において可とう性を有するものであれば樹脂あるいは導電体の板や編組線を接着して用いてもよい。また、接着でなくても機械的に固定されていれば良い。
ワイヤ5の抵抗は回路のインピーダンスに比べ十分小さいので、転流の際にブリッジ導体33と第1の導体31あるいは第2の導体32との間にできた隙間にアークが発生することはない。
気化したゲル6中には水素が多く含まれており、水素は熱伝導率が高いので、アークを効率良く冷却する。また、ゲル6が気化するときのガスの流れでアークを吹き消し、アークが消弧され、短絡電流が遮断される。
しかし、逆に短絡電流がさほど大きくないため、一般の遮断の場合より遮断に至る時間が長くても許容される。本実施の形態のように、ヒーター35の熱で主電流通電部21aのブリッジ導体33の接続半田34を溶かし、配線を断路する方法は数秒から数分といった時間がかかる遮断方法であり、遮断の即応性を求められる遮断方法としては適用できないが、半導体装置を適用する系では本実施の形態が適用可能である。
また、ワイヤ5を図2に示すように円弧状に曲率をもたせることにより、アークも曲率をもつように発生し、アーク電流によって発生する電磁力によって円弧の外側にアークが駆動され距離が長くなるため、アーク電圧がさらに高くなり、消弧しやすくなる。
上記主電流通電部21aの導通部をワイヤで置き換え、該ワイヤをヒーター35での加熱により溶断する構成とすると、電流通電のための断面積を稼ぐために多数のワイヤが必要となり、ヒーター35での加熱による上記ワイヤの溶断も時間がかかるが、本実施の形態では、複数の導体を半田34で接続し、該半田34をヒーター35の加熱により溶融させるので、半田34の溶融量を少なくでき、瞬時の断路が可能となる。
すなわち、前述の特許文献2に示された構成を本実施の形態の主電流通電部21aに適用すると、ばねが伸びた際に、ばねおよびブリッジ導体が外れて飛び出すが、飛び出した際に、ばねが第1の導体と第2の導体との間に何らかの理由で引っかかって残った場合や、ばねまたはブリッジ導体が跳ね返って戻ってきた場合、第1の導体31と第2の導体32との間がショートし、断路することができず、アークがこの間で発生することになり遮断に失敗する。また、飛び出したブリッジ導体が半導体装置の充電部に触れ、半導体装置をショートさせ破損する恐れがあるが、本実施の形態の主電流通電部21aの構成では、ブリッジ導体33を、可動薄板41にて第1の導体31あるいは第2の導体32に連結しているため、ブリッジ導体33が半導体装置の充電部に触れることが防げる。
また、本実施の形態では、ばね37が伸びた際に、ばねカバー36の底部に設けたばねカバー突起部36aと、絶縁ベース40に設けたばねカバーガイド40aとが接触し、ばねおよびばねカバー36が外れて飛び出さないように構成されているので、半導体装置をショートさせたり、破損したりする恐れがない。そのため、断路に失敗することなく、並列に接続されたワイヤ5に確実に転流することができる。また、断路に必要な距離の確保にも役立つ。
また、ワイヤ5は消弧剤6に埋め込まれているので、確実にアークを消弧することができる。
また、消弧剤としてゲル6を使用しているので、アークにより冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
また、アルキル基を含有するナイロン樹脂またはポリイミド樹脂などを消弧剤として使用しても、アークにより冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
したがって、外形を大きくすることなく、主電流通電部21aと電流遮断部21bとを並列にした構成により、高電圧、大電流に対する電力変換に対しても、短絡電流を容易に遮断できる遮断機構を備えた半導体装置を提供することができる。
図8は、この発明の実施の形態1による半導体装置を備えるインバータシステムの回路図である。このインバータシステムは、直流電力をU相、V相およびW相の3相交流電力に変換し、また3相交流電力を直流電力に変換する。
そして、相毎の各アームは、IGBTチップ80a〜80fと、IGBTチップ80a〜80fに並列接続されたダイオード81a〜81fとから構成されている。上下のアームが直列に接続されている部分をレグと称す。
直流電力はレグの両端から入出力され、交流電力は各レグのアーム間から入出力される。そして、各レグのアーム間にモータジェネレータ85の巻線が接続されている。
また、モータジェネレータ85のU相の巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構部21Uが、モータジェネレータ85のV相の巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構部21Vが介設されている。
遮断制御部20(図8では図示を略す)が設置され、検出装置により事故電流を検出すると、ヒーター電源7から遮断機構部21U、21Vのヒーター35に電流を供給する。
例えば、インバータシステムのIGBTチップ80bに過電流が流れて短絡した場合、図8に示すように、短絡したIGBTチップ80b、ダイオード81d、81f、モータジェネレータ85の巻線を経由する電流路が形成され、故障していないIGBTチップ80d、80fのスイッチがオフの場合でも電流が流れる。ハイブリッド自動車が走行中の場合や牽引車に牽引されて走行状態に入ると、モータジェネレータ85に起電力が生じ、電流路に回生電流が望まないのに流れ、不具合を生ずる。
ここで図8に示すように遮断機構部21U、21Vを設置するとこのような回生電流が流れることはなく、モータジェネレータ85を電気的に遮断することができる。
また、単相として利用する場合は遮断機構部21を利用する単相部分に1つ設けるだけでよい。
図9はこの発明の実施の形態2に係る主電流通電部を示す断面構成図であり、主電流通電部21aのブリッジ導体33がばね37によって水平方向に押圧されるように配置された構成を示すものである。図9は図7に示した実施の形態1の主電流通電部21aを左回りに90°回転させた構成である。図3、図7に示した実施の形態1と同様な部分には同じ符号を付した。
本実施の形態2の半導体装置は、主電流通電部21a以外の構成は実施の形態1と同様であり、同様の動作を行い、同様の効果がえられる。
主電流通電部21aは、短絡故障時には、ブリッジ導体33と第2の導体32とが可動薄板41にて連結しているため、この連結部を中心としてブリッジ導体33が回動し、ブリッジ導体33と第1の導体31との接続部が開離し、主電流通電部の通電路を断路する。
また、横方向にブリッジ導体33が開くため、半導体装置の上部に配置される他の基盤等の装置に接することなく、他の機器のショートなどによる損傷を避けることができる。
さらに、他の機器が上下に組み込まれた場所での高さ方向の制限に対し、ブリッジ導体33の開離方向を横方向にしたことで、動作時を含め必要な高さを低くすることができる。
図10はこの発明の実施の形態3に係る主電流通電部を示す断面構成図であり、主電流通電部21aのブリッジ導体33がばね37によって水平方向に押圧されるように配置すると共に、ブリッジ導体33と第1の導体31とを可動薄板41にて連結し、連結部を下側に、ブリッジ導体33と第2の導体32との接続部を上側に配置した構成を示すものである。図3、図7に示した実施の形態1と同様な部分には同じ符号を付した。
短絡故障を検出した検出装置22は、ヒーター電源7にヒーター電源7をオンするように指令する。
ヒーター35は電力が供給されると発熱してブリッジ導体33を加熱し、ブリッジ導体33と第1の導体31および第2の導体32との接続部の半田34が溶け、半田34での接着力よりばね37の押圧力が勝ると、図10に示すようにブリッジ導体33を図の横方に押上げようとするが、ブリッジ導体33と第1の導体31とを可動薄板41にて連結しているため、連結部を中心にブリッジ導体33と第2の導体32との接続部が開離する。
なお、この際、本実施の形態では自重で図10に示すようにほぼ180°開離し、下方に垂れるようになるが、半導体モジュール100が実装されている場合は、半導体モジュール100に接触することになるので、半導体モジュール側に絶縁を行う必要がある。
また、横方向にブリッジ導体33が開くため、半導体装置の上部に配置される他の基盤等の装置に接することなく、他の機器のショートなどによる損傷を避けることができる。
このような構成にすることにより、半導体モジュール100とショートする可能性がなくなる。
また、他の機器が上下に組み込まれた場所での高さ方向の制限に対し、ブリッジ導体33の開離方向を横方向にしたことで、動作時を含め必要な高さを低くすることができる。
その他の構成は図10と同様であり、同様の動作と効果がえられる。
また、半導体装置の上部に配置された基盤等の機器とブリッジ導体33とが接触する可能性がある場合においても絶縁がなされるため、上部に配置された基盤等の機器を損傷することなく安定にブリッジ導体33を開離することができ、信頼性の向上が図れる。
また、ヒーター35は、半田34による接着個所に沿って設置するようにしてもよい。
また、ブリッジ導体33および半田34に対向するヒーター面を除いて上記ヒーター35を断熱材で囲み、熱効率を改善するようにしてもよい。
さらに、ヒーター35の形状も円形、矩形等、設置個所に合わせて任意の形状とすればよい。
ヒーター35は、半田を溶融または軟化させる温度に達すればよいため、電流を流し発熱するものであれば良く、たとえばマンガニン線やニクロム線またはカーボンペースト等のペースト状のヒーターなどでもよい。
Claims (7)
- 半導体チップに電気的に接合された電極と外部接続端子との間に設けられ、主電流通電部と電流遮断部とが並列に配置された遮断機構部、および上記遮断機構部を制御する遮断制御部を備えた半導体装置であって、
上記主電流通電部は、上記半導体チップ側に配置された第1の導体、上記外部接続端子側に配置された第2の導体、上記第1の導体と上記第2の導体との間に配置されたブリッジ導体、上記第1の導体と上記ブリッジ導体、および上記第2の導体と上記ブリッジ導体との間を電気的に接続する半田、上記第1の導体または上記第2の導体のいずれか一方と上記ブリッジ導体とを連結し、少なくとも上記連結部において可とう性を有する可動薄板、上記ブリッジ導体の下部に取り付けられたヒーター、並びに上記ヒーターを上記ブリッジ導体の方向に押圧するように配置されたばねを備え、
上記電流遮断部は、ヒューズを備え、
通常の電流通電時には、上記主電流通電部と上記電流遮断部の抵抗比により主に上記主電流通電部に電流が流れるようにし、
電流遮断時には、上記遮断制御部より上記ヒーターに通電して上記半田を溶かし、上記ブリッジ導体を上記連結部を中心として回動させ、上記第1の導体または上記第2の導体と上記ブリッジ導体とを開離させて上記主電流通電部の通電路を断路し、電流を上記電流遮断部に転流させ、上記ヒューズにて上記電流を遮断することを特徴とする半導体装置。 - 上記主電流通電部は、上記ばねを覆うばねカバー、および上記ばねの押圧方向への上記ばねカバーの移動距離を制限するばねカバーガイドを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 上記ブリッジ導体は、上記第1の導体または上記第2の導体との上記連結部と異なる側の外壁面に絶縁物が取り付けられていることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記遮断制御部は、上記半導体チップの短絡モードを検出する検出装置を備え、上記検出装置が上記短絡モードを検出した際に上記ヒーターに通電することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記ヒューズは、ワイヤの周囲をアルキル基含有樹脂の消弧剤で覆ったことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記ヒューズは、ワイヤの周囲をゲルの消弧剤で覆ったことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置をU相、V相、またはW相の少なくともいずれか1相に備えたことを特徴とするインバータシステム。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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