JP5300784B2 - Semiconductor module and rotating electric machine equipped with semiconductor module - Google Patents
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Description
この発明は、半導体スイッチング素子を樹脂封止した半導体モジュール及びその半導体モジュールを搭載した車両用等の回転電機に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor module in which a semiconductor switching element is sealed with a resin and a rotating electrical machine for a vehicle or the like equipped with the semiconductor module.
従来の半導体装置として、半導体素子と、上記半導体素子の一面側に設けられ電極と放熱体を兼ねる第1の金属体と、上記半導体素子の他面側に設けられ電極と放熱体を兼ねる第2の金属体と、上記半導体素子、第1の金属体及び第2の金属体を包み込むように封止するモールド樹脂とを備え、上記半導体素子は隣り合って配置された2個のIGBT素子であり、上記2個のIGBT素子はそれぞれ素子の温度検出を行うための温度センス用パッドを有しており、上記2個のIGBT素子のうちどちらか一方のみの上記温度センス用パッドが外部と電気的に接続される端子に電気的に接続されているものがあった。 As a conventional semiconductor device, a semiconductor element, a first metal body provided on one surface side of the semiconductor element and serving as an electrode and a radiator, and a second metal body provided on the other surface side of the semiconductor element and serving as an electrode and a radiator. And a mold resin that encapsulates the semiconductor element, the first metal body, and the second metal body, and the semiconductor element is two IGBT elements disposed adjacent to each other. Each of the two IGBT elements has a temperature sensing pad for detecting the temperature of the element, and only one of the two IGBT elements is electrically connected to the outside. There are those that are electrically connected to the terminals connected to.
上記従来の半導体装置において、上記2個のIGBT素子は並列に接続され、主電極となる取り出し電極となる端子部を2個備えている。この半導体装置を、例えば車両用回転電機のインバータの上下アームのスイッチング素子として使用する場合、上下アームの各スイッチング素子として上記半導体装置が1個ずつ必要となり、部品点数及び設置面積が増大する問題があった。また、上下アームの半導体装置のそれぞれに温度センス用パッドと接続するための信号端子が必要となり、ワイヤ本数及び温度センス用パッドと接続する信号端子数が増えることになり結果として半導体装置のサイズが大きくなり、半導体装置を設置する面積が増大していた。 In the conventional semiconductor device, the two IGBT elements are connected in parallel and have two terminal portions serving as extraction electrodes serving as main electrodes. For example, when this semiconductor device is used as a switching element for the upper and lower arms of an inverter of a vehicular rotating electrical machine, one semiconductor device is required as each switching element for the upper and lower arms, which increases the number of components and the installation area. there were. In addition, each of the upper and lower arm semiconductor devices requires a signal terminal for connection to the temperature sensing pad, which increases the number of wires and the number of signal terminals connected to the temperature sensing pad. As a result, the size of the semiconductor device is reduced. The area for installing the semiconductor device has increased.
この発明は上記の問題点を解消するためになされたものであり、半導体モジュールのワイヤ本数及び温度センス用パッドと接続するための信号端子数の低減を図り、小型化が可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。また、この小型化した半導体モジュールを搭載することで設置面積の低減が図れる回転電機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor module that can be reduced in size by reducing the number of wires of the semiconductor module and the number of signal terminals for connection to a temperature sensing pad. The purpose is to do. It is another object of the present invention to provide a rotating electrical machine that can reduce the installation area by mounting the miniaturized semiconductor module.
この発明に係る半導体モジュールは、直列に接続された第1及び第2半導体スイッチング素子と、上記第1及び第2半導体スイッチング素子をそれぞれ搭載した第1及び第2金属フレームを備え、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子に温度測定素子を形成し、上記第1及び第2半導体スイッチング素子並びに上記第1及び第2金属フレームを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続しており、上記温度測定素子に上記温度測定端子を接続した上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗を、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち他方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗より高くしたものである。 A semiconductor module according to the present invention includes first and second semiconductor switching elements connected in series, and first and second metal frames mounted with the first and second semiconductor switching elements, respectively. A semiconductor module in which a temperature measuring element is formed in at least one of the second semiconductor switching elements, and the resin sealing molding is performed so as to enclose the first and second semiconductor switching elements and the first and second metal frames. The temperature measurement terminal is connected only to the temperature measurement element of one of the first and second semiconductor switching elements, and the temperature measurement terminal is connected to the temperature measurement element. Metal mounting one of the first and second semiconductor switching elements The thermal resistance of the frame, in which higher than the thermal resistance of the metal frame for mounting the other of the semiconductor switching elements of the first and second semiconductor switching elements.
この発明に係る回転電機は、ブラケットと、上記ブラケットに設置され固定子巻線を有する固定子と、上記ブラケットに回転自在に支持された回転軸に設置された回転子と、上記固定子巻線に流れる電流を制御するための上下アームのスイッチング素子を有するパワー回路部を備え、上記パワー回路部として、直列に接続された第1及び第2半導体スイッチング素子と、上記第1及び第2半導体スイッチング素子をそれぞれ搭載した第1及び第2金属フレームを備え、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子に温度測定素子を形成し、上記第1及び第2半導体スイッチング素子並びに上記第1及び第2金属フレームを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続した半導体モジュールを備え、
上記パワー回路部の上下アームのスイッチング素子として、上記半導体モジュールの上記第1及び第2半導体スイッチング素子を使用したものである。
The rotating electrical machine according to the present invention includes a bracket, a stator installed on the bracket and having a stator winding, a rotor installed on a rotary shaft rotatably supported by the bracket, and the stator winding. A power circuit unit having switching elements of upper and lower arms for controlling a current flowing through the first and second semiconductor switching elements connected in series as the power circuit unit, and the first and second semiconductor switching units A first metal frame and a second metal frame on which the elements are mounted, respectively, a temperature measuring element is formed in at least one of the first and second semiconductor switching elements, and the first and second semiconductor switching elements and A semiconductor module molded by resin sealing so as to enclose the first and second metal frames, Includes a semiconductor module connected to the temperature measurement terminal only to said temperature measuring element of one of the semiconductor switching element of the second semiconductor switching element,
The first and second semiconductor switching elements of the semiconductor module are used as the switching elements of the upper and lower arms of the power circuit section.
この発明によれば、半導体モジュールのワイヤ本数及び温度測定素子と接続する温度測定端子数を低減することができ、大幅に小型化が可能な半導体モジュールを提供することできる。また、この小型化した半導体モジュールを搭載することでパワー回路部の設置面積の低減が図れる回転電機を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor module that can reduce the number of wires of the semiconductor module and the number of temperature measurement terminals connected to the temperature measurement element, and can be significantly reduced in size. In addition, it is possible to provide a rotating electrical machine that can reduce the installation area of the power circuit section by mounting this miniaturized semiconductor module.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による半導体モジュールを搭載した回転電機の全体構造を示す断面図である。図1の回転電機は制御装置一体型の車両用回転電機を示しており、この回転電機100は、ハウジングとしてのブラケット1に設置された固定子2と、ブラケット1に回転自在に支持された回転軸50に設置された回転子3を備えている。固定子2は固定子鉄心2aと固定子巻線2bを有している。回転子3は回転子鉄心3aと界磁巻線3bを有している。回転軸50には、界磁巻線3bと電気的に接続されるスリップリング5aを有するスリップリング部5が設けられている。回転子鉄心3aの回転軸方向端部には冷却ファン6が設けられている。ブラケット1内にはスリップリング5aと電気的に接触するブラシ7を有するブラシホルダ8が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
1 is a cross-sectional view showing the overall structure of a rotating electrical machine on which a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention is mounted. 1 shows a vehicular rotating electric machine integrated with a control device. The rotating
また、ブラケット1内には、円盤状のヒートシンク10と、固定子巻線2bに電力を供給するためのパワー回路部20と、界磁巻線3bに電流を供給するための界磁回路部30と、固定子巻線2bとパワー回路部20とを中継するための配線部材14と、パワー配線等のターミナルがインサートされたケース12と、回転角度検出のためのレゾルバ9が設けられている。ブラケット1の外部には、パワー回路部20及び界磁回路部30を制御するための制御基板15aを有する制御回路部15が設けられている。
Further, in the bracket 1, a disk-
図2は図1の回転電機を矢印A方向からみた側面図であり、ヒートシンク10上にパワー回路部20及び界磁回路部30が搭載された様子を示している。パワー回路部20及び界磁回路部30は、それぞれ1個のモールド封止型モジュールからなり、ヒートシンク10の同一面上に絶縁性接着剤16(図1参照)で固着されている。ヒートシンク10は、円盤状の形状をしており、パワー回路部20及び界磁回路部30の裏面側にそれぞれ冷却フィン10aが配置されている。ヒートシンク10を円盤状にすることで、ブラケット1内の配置スペースを有効に使うことができ、ヒートシンク10のサイズを最大限とることができると共に、パワー回路部20及び界磁回路部30の設置スペースの確保や冷却フィン面積の確保を行うことが可能となる。
FIG. 2 is a side view of the rotating electrical machine of FIG. 1 as viewed from the direction of arrow A, and shows a state in which the
また、ヒートシンク10には、パワー配線等がインサートされたケース12がパワー回路部20及び界磁回路部30の周りを囲うように接着剤で固着されている。さらに、パワー回路部20及び界磁回路部30の第1辺部に設けられたパワー配線端子24がケース12側のパワー配線のターミナルに接合されている。そして、パワー回路部20及び界磁回路部30の第2辺部に設けられた制御用の信号端子22を集約するための中継基板11を配置した後、ケース12内が樹脂封止されることにより電子モジュール40が構成される。
In addition, a
図2に示すように、ヒートシンク10の中央側にはパワー回路部20及び界磁回路部30の制御用の信号端子22が数多く配置される。制御用の信号端子22はブラケット1外部にある制御回路部15の制御基板15aにつなぐ必要があるが、電子モジュール40内部で信号端子22の位置が散らばって配置されているため、そのままでは制御基板15aとの接続が困難である。そこで、図3に示すように、中継基板11を用いることで、電子モジュール40内部に散らばっている信号端子22を集約でき、コネクタ13等を用いることで制御基板15aと容易に接続が可能となる。
As shown in FIG. 2, a large number of
図1に戻って、ブラシホルダ8は、ヒートシンク10の界磁回路部30の裏面側に固定される。ヒートシンク10の界磁回路部30の固定部周辺はブラシホルダ8が収まるように窪んでいる。また、界磁回路部30とブラシホルダ8はケース12にインサートされたターミナルで接続されている。ヒートシンク10が窪むことで界磁回路部30の裏面側の冷却フィン10aが短くなってしまうが、ヒートシンク10が円盤状でありパワー回路部20と共用であることから、ヒートシンク10全体への熱の拡散により冷却フィン減少分を補うことができる。
Returning to FIG. 1, the
また、ヒートシンク10にはブラシホルダ8以外にも配線部材14が接続されている。配線部材14を介して、固定子2と電子モジュール40が接続される。固定子2と電子モジュール40の配線取り付け位置が異なった場合、そのままでは取り付け不可能である。特に固定子巻線2bの巻線仕様によってコイルエンドの位置が変わる場合があるが、配線部材14を用いることで両者の取り付け位置まで配線を引き回すことができ取り付け可能となる。これにより、配線位置を気にすることなく固定子2及び電子モジュール40の設計を行うことができ、配置の自由度をあげることができる。また、ヒートシンク10と冷却ファン6の間に配線部材14及びブラシホルダ8を配置することで、効率的な冷却風路を構成することができる。
In addition to the
ここで、回転電機は、基本的な構成要素が回転運動をするため、円筒形状にすることによりその体積が最小となる。特に、自動車のエンジンルームは、車室拡大を最大限に追及するためにコンパクト化され、また安全性の観点からも、エンジンルーム内に搭載されるエンジンや回転電機は小型化が要求されてきた。そのため、パワー回路部20に用いるモールド封止型の半導体モジュールの端子数を低減することによって、パワー回路部20を小型化することは、重要な事項となる。また、パワー回路部20をヒートシンク10の限られたスペースに効率よく配置することも、製品の小型化達成のために重要な事項となる。
Here, the rotating electrical machine has a minimum volume by forming a cylindrical shape because basic components rotate. In particular, the engine room of an automobile has been made compact in order to maximize the expansion of the compartment, and from the viewpoint of safety, the engine and the rotating electrical machine mounted in the engine room have been required to be downsized. . Therefore, it is an important matter to reduce the size of the
図4は図1の回転電機の制御回路図である。図4において、固定子巻線2b(図1参照)は、2組の三相巻線2b1(U相、V相、W相)と三相巻線2b2(X相、Y相、Z相)を備えている。バッテリ60のPN端子には、上記三相巻線2b1及び2b2にそれぞれ接続されて電機子電流を供給する2組のインバータ部70a及び70bと、界磁巻線3bに界磁電流を供給する界磁回路部30が接続されている。制御回路部15は、回転電機の動作状態に応じて界磁回路部30、インバータ部70a及び70bを制御する。インバータ部70a及び70bは、上アームの第1半導体スイッチング素子21aと下アームの第2半導体スイッチング素子21bを直列に接続した回路を1相分として3相ブリッジ接続されている。本発明では、上アームの第1半導体スイッチング素子21aと下アームの第2半導体スイッチング素子21bを直列に接続した1相分の回路をパワー回路部20と称している。制御回路部15は、インバータ部70a及び70bのそれぞれの半導体スイッチング素子21a及び21bをオンオフ制御する。なお、図4では半導体スイッチング素子21a及び21bとしてMOSFETの例を示しているが、IGBT等のスイッチング素子でも良い。また、固定子巻線として2組の三相巻線2b1及び2b2を備えたものを示したが、1組や複数組の三相巻線を備えたものでも良い。
FIG. 4 is a control circuit diagram of the rotating electrical machine of FIG. In FIG. 4, the stator winding 2b (see FIG. 1) includes two sets of three-phase windings 2b1 (U-phase, V-phase, W-phase) and three-phase windings 2b2 (X-phase, Y-phase, Z-phase). It has. The PN terminal of the
図5はこの発明の実施の形態1に係る半導体モジュールを示す平面模式図及び断面模式図であり、図6は図5の半導体モジュールに樹脂封止されている半導体スイッチング素子の平面図を示している。
図1〜図4で説明したパワー回路部20は図5に示す半導体モジュールに相当する。すなわち、図5に示すように、パワー回路部20は、直列に接続された第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bと、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bのそれぞれを搭載する第1及び第2金属フレーム23a及び23bを備え、それらがトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止されて、1つのモールド封止型の半導体モジュールを構成している。第1半導体スイッチング素子21aがパワー回路部20の上アームのスイッチング素子に、第2半導体スイッチング素子21bがパワー回路部20の下アームのスイッチング素子に相当する。
図6に示すように、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bは、それぞれ当該スイッチング素子の温度を測定する温度測定素子25としてのダイオードを備えている。また、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bは、制御信号用の信号接続用パッド26aと、温度測定素子25と接続される温度測定用パッド26bを備えている。
5 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing the semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 6 is a plan view of the semiconductor switching element resin-sealed in the semiconductor module of FIG. Yes.
The
As shown in FIG. 6, each of the first and second
ここで、本実施の形態のパワー回路部20のようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールの生産性を高めるためには、パッケージサイズの低減が有効であり、特に制御用の信号端子数の低減が必要である理由を以下に説明する。
(1)本実施の形態に掲げるようなパワー回路部20の第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bをモジュール化する場合、パワー配線端子としてP側端子、N側端子及び出力端子の3本の端子と、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの制御信号用のゲート端子、そして温度測定用素子(例えばダイオード)25の温度測定用端子(例えばダイオードのアノード端子及びカソード端子)が最低限必要となる。パワー配線端子としてのP側端子、N側端子、及び出力端子の3本の端子は、電流量に応じた断面積が必要のため、金属フレームの厚みと幅から決定される電流経路の断面積を確保する必要がある。それに対して、制御用の信号端子であるゲート端子及びソース電位の端子、並びに温度測定用端子は電流量は必要なく、断面積は最小でよい。
ところで、このようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールでは通常圧延した金属板をプレス加工で成形して所定の回路形状を有する金属フレームを用いるが、一般的な技術常識としては、パンチの抜き幅として、金属フレームの板厚が目安とされる。
パワー配線端子の断面積確保のためには、厚みの大きい金属フレームが必要であるが、そうすると、パンチの抜き幅制約のために、信号端子の寸法が必要以上に大きくなってしまう。例えば、厚み0.8mmの金属フレームであれば、信号端子の幅が0.8mm、信号端子の間隙が0.8mm必要となる。この場合、多数の信号端子を形成すると、信号端子に必要な幅が、半導体スイッチング素子の収納に必要な幅を超えてしまう。したがって、信号端子の数を低減することが必要となる。
Here, in order to increase the productivity of a mold resin-sealed semiconductor module such as the
(1) When the first and second
By the way, in such a mold resin-sealed type semiconductor module, a metal frame having a predetermined circuit shape is formed by pressing a normally rolled metal plate by press working. As a guide, the thickness of the metal frame is taken as a guide.
In order to secure the cross-sectional area of the power wiring terminal, a metal frame having a large thickness is required. However, due to the punching width restriction of the punch, the dimension of the signal terminal becomes larger than necessary. For example, in the case of a metal frame having a thickness of 0.8 mm, the signal terminal width needs to be 0.8 mm, and the signal terminal gap needs to be 0.8 mm. In this case, when a large number of signal terminals are formed, the width necessary for the signal terminals exceeds the width necessary for housing the semiconductor switching element. Therefore, it is necessary to reduce the number of signal terminals.
(2)また、トランスファーモールド成形装置がパッケージサイズに与える影響として、モールド成形時に100気圧にも上る樹脂圧をかけるため、モールド金型の精度を高め、プレス圧を十分与えることが必須要件となる。ここでプレス圧は、モールド成形圧力に屈してモールド金型が開くことを防止するために高くする必要があるが、樹脂封止領域の面積が大きいほど比例して必要プレス圧が大きくなるという関係がある。モールド成形開始からモールド金型を開くまでのプロセス時間としては、最低2分が必要であるため、生産性を高めるためには、プレス圧を最小限にしながら、多数の小型の樹脂封止モジュールを同時に成形することが必要である。このように、信号端子数の低減による樹脂封止モジュールの小型化が生産性を高めるために必要となる。 (2) In addition, as an influence of the transfer mold forming apparatus on the package size, it is essential to increase the accuracy of the mold and sufficiently apply the press pressure in order to apply resin pressure as high as 100 atm during molding. . Here, the press pressure needs to be increased to prevent the mold from opening due to bending to the molding pressure, but the necessary press pressure increases proportionally as the area of the resin sealing region increases. There is. Since the process time from the start of molding to opening the mold is required to be at least 2 minutes, in order to increase productivity, a large number of small resin-sealed modules must be installed while minimizing the press pressure. It is necessary to mold at the same time. Thus, downsizing of the resin-encapsulated module by reducing the number of signal terminals is necessary to increase productivity.
次に、図5に戻って、本実施の形態のパワー回路部20のようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールにおいて、信号端子数をどのように低減するかを説明する。
図5において、第1半導体スイッチング素子21aは第1金属フレーム23a上に搭載され、第2半導体スイッチング素子21bは第2金属フレーム23b上に搭載され、それぞれ電気的に接続されている。また、第1半導体スイッチング素子21aの上面の電極と第2金属フレーム23bはワイヤー28aにより、第2半導体スイッチング素子21bの上面の電極と第3金属フレーム23cはワイヤー28bにより接続されている。さらに、第1金属フレーム23aはP側端子として突出するパワー配線端子24aを備え、第2金属フレーム23bは各相出力端子として突出するパワー配線端子24bを備え、第3金属フレーム23cはN側端子として突出するパワー配線端子24cを備えている。また、第1半導体スイッチング素子21aの信号接続用パッド26aは信号端子22aにワイヤー28により接続され、第1半導体スイッチング素子21aの温度測定用パッド26bは温度測定端子22bにワイヤー28により接続されている。一方、第2半導体スイッチング素子21bの信号接続用パッド26aは信号端子22aにワイヤー28により接続されているが、第2半導体素スイッチング素子21bの温度測定用パッドが接続される温度測定端子は存在しない。ここで、第1半導体スイッチング素子21aの温度が第2半導体スイッチング素子21bの温度より高くなることを動作条件としてパワー回路部20を設置する。そして、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21b並びに金属フレーム23(23a、23b、23c)は、パワー配線端子24(24a、24b、24c)及び信号端子22(22a、22b)を外部に突出させて封止樹脂27によりモールド封止されている。
Next, returning to FIG. 5, how to reduce the number of signal terminals in a molded resin-encapsulated semiconductor module such as the
In FIG. 5, the first
なお、界磁回路部30もパワー回路部20と同様、界磁巻線3bに電流を供給するための界磁用半導体スイッチング素子及びコンデンサ等の電子部品が搭載された金属フレームがトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止され1つのモールド封止型の半導体モジュールを構成している。パワー回路部20と界磁回路部30はヒートシンク10の同一平面上に絶縁性接着剤16で固着されている。本実施の形態では、パワー回路部20は6個、界磁回路部30は1個がヒートシンク10に円周状に配置されている。また、金属フレームは例えば熱伝導性のよい銅または銅合金を用いている。
In the
以上のように本実施の形態によれば、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bのうち温度が高い方の第1スイッチング素子21aの温度測定素子25のみに温度測定用端子22bを接続するようにする。つまり、温度測定素子25の接続を温度の高い第1半導体スイッチング素子21aのみにすることによりワイヤ本数や制御用の信号端子数を低減でき、パワー回路部20を小型化することができる。例えば、図4のインバータ70a及び70bの上下アームのスイッチング素子で温度測定を行った場合、半導体モジュールの温度測定用端子数が増えてサイズが大きくなり、また、上下アームのスイッチング素子の各温度測定素子の特性を検査することで検査時間が増えてしまうが、本実施の形態によれば、温度の高い方の第1半導体スイッチング素子のみを測定することで、温度測定用の端子数を削減でき、パワー回路部の小型化及び低コスト化につながる。
As described above, according to the present embodiment, the temperature measuring terminal 22b is connected only to the
また、図5のように、半導体モジュールに搭載する第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの数をそれぞれ1個にすることで温度測定素子25のための外部配線等を減らすことができる。スイッチング素子の投影面積は同じだとすると、複数のスイッチング素子ではスイッチング素子間のライン&スペースが必要となるが、それぞれ1個にすることでこれらのライン&スペースを無くすことができ、金属フレームのサイズ低減につながる。なお、半導体モジュールに搭載する第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの数をそれぞれ複数個にしても良い。
Further, as shown in FIG. 5, the number of the first and second
実施の形態2.
図7はこの発明の実施の形態2に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
図7において、温度測定素子25により温度測定を行う第1半導体スイッチング素子21aを搭載している金属フレーム23aの素子搭載部面積を、温度測定を行わない第2半導体スイッチング素子21bを搭載している金属フレーム23bの素子搭載部面積より小さくしている。ただし、金属フレーム23aと金属フレーム23bの材料及び厚さは同じとする。
すなわち、温度測定を行う第1半導体スイッチング素子21aの金属フレーム23aの熱抵抗を、温度測定を行わない第2半導体スイッチング素子21bの金属フレーム23bの熱抵抗より大きくして、温度測定を行う第1半導体スイッチング素子21aの温度を、温度測定を行わない第2半導体スイッチング素子21bの温度より常時高くして、温度の高い方の第1半導体スイッチング素子21aを温度測定することにより、スイッチング素子の保護を図ることができる。なお、図7の例では、金属フレームの素子搭載部面積に差を設けて金属フレームの熱抵抗を異なるようにしたが、金属フレームの材料に差を設けて熱抵抗に差を設けるようにしても良い。
FIG. 7 is a schematic plan view showing a semiconductor module according to
In FIG. 7, the element mounting portion area of the
That is, the thermal resistance of the
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
本実施の形態においては、パワー回路部20の下アームに相当する第2半導体スイッチング素子21bの温度のみを測定することでスイッチング素子を保護するようにする。すなわち、第2半導体スイッチング素子21bの温度測定用パッドを温度測定端子22bにワイヤーにより接続する一方で、第1半導体素スイッチング素子21aの温度測定用パッドに接続する温度測定端子を無くする。
FIG. 8 is a schematic plan view showing a semiconductor module according to
In the present embodiment, the switching element is protected by measuring only the temperature of the second
車両用回転電機の場合、回転電機の保護や運転者の乗り心地を改善するために、過電圧保護、アイドルストップ時の車体振動抑制、始動時のモータトルク制御を行う必要があるが、この場合、図4の制御回路において、3相短絡状態となる。3相短絡の場合は、パワー回路部20の下アームに相当する第2半導体スイッチング素子21bに電流が流れる状態である。つまり、第2半導体スイッチング素子21bには大電流が流れ、第2半導体スイッチング素子21bの温度が急激に上昇する可能性がある。そのため、3相短絡動作の場合には、下アームの第2半導体スイッチング素子21bの温度を測定しておく必要がある。また、下アームの第2半導体スイッチング素子21bの方が上アームの第1半導体スイッチング素子21aに比べて平均電流が多く流れることから、下アームの第2半導体スイッチング素子21bの温度が上アームの第1半導体スイッチング素子21aの温度よりも平均的に高くなる。そのため、下アームの第2半導体スイッチング素子21bの温度測定素子25の温度測定用パッド26bと温度測定用端子22bを接続する必要がある。
In the case of a rotating electrical machine for a vehicle, in order to protect the rotating electrical machine and improve the ride comfort of the driver, it is necessary to perform overvoltage protection, body vibration suppression at idling stop, motor torque control at start, In the control circuit of FIG. 4, a three-phase short circuit state is established. In the case of a three-phase short circuit, a current flows through the second
以上のように本実施の形態によれば、3相短絡状態では下アームの半導体スイッチング素子21bに大電流が流れるため、温度の高い下アームの第2半導体スイッチング素子21bのみの温度を測定することで、確実に半導体スイッチング素子の保護を行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, since a large current flows through the
本実施の形態の場合、図9に示すように、温度測定を行う下アームの第2半導体スイッチング素子21bを搭載している金属フレーム23bの素子搭載部面積を、温度測定を行わない第1半導体スイッチング素子21aを搭載している金属フレーム23aの素子搭載部面積より小さくし、温度測定を行う第2半導体スイッチング素子21b搭載の金属フレーム23bの熱抵抗を、温度測定を行わない第1半導体スイッチング素子21a搭載の金属フレーム23aの熱抵抗より大きくする。これにより、下アームの半導体スイッチング素子21bの温度が確実に高くなるので、下アームの半導体スイッチング素子21bのみの温度を測定することで、確実に半導体スイッチング素子の保護を行うことができる。
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 9, the element mounting portion area of the
実施の形態4.
図10及び図11はこの発明の実施の形態4に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
上記実施の形態では、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bとして同じタイプの半導体スイッチング素子を使用していた。すなわち、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21b共に、温度測定素子(ダイオード)25及び温度測定用パッド26bを備えていた。
本実施の形態では、例えば図10に示すように、温度測定する第2半導体スイッチング素子は温度測定素子(ダイオード)25及び温度測定用パッド26bを有する半導体スイッチング素子21bを使用し、温度測定しない第1半導体スイッチング素子は温度測定素子(ダイオード)25及び温度測定用パッド26bを有しない同じ素子サイズの半導体スイッチング素子21a’を使用するようにする。
このようにすれば、第1半導体スイッチング素子21a’において温度測定素子(ダイオード)の形成される部分にもトランジスタを形成することができるため、同じ素子サイズではスイッチング素子のオン抵抗を低減することができる等の性能を向上することができ、第1半導体スイッチング素子21a’の発熱を低減することができ、温度低減効果がある。
10 and 11 are schematic plan views showing a semiconductor module according to
In the above embodiment, the same type of semiconductor switching element is used as the first and second
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 10, the second semiconductor switching element for measuring temperature uses a
In this way, since the transistor can be formed in the portion where the temperature measuring element (diode) is formed in the first
また、図11に示すように、温度測定する第2半導体スイッチング素子は温度測定素子(ダイオード)25及び温度測定用パッド26bを有する半導体スイッチング素子21bを使用し、温度測定しない第1半導体スイッチング素子は温度測定素子(ダイオード)25及び温度測定用パッド26bを有しない小型の素子サイズの半導体スイッチング素子21a”を使用するようにする。
このようにすれば、第1半導体スイッチング素子21a”の発熱量が減ることからそれを搭載する金属フレーム23aを小さくでき、モジュールサイズの低減につながる。
As shown in FIG. 11, the second semiconductor switching element for measuring temperature uses a
In this way, the amount of heat generated by the first
実施の形態5.
本実施の形態においては、図6に示すように、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの外周部に温度測定素子(ダイオード)25が配置されている構成とした。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a temperature measuring element (diode) 25 is arranged on the outer periphery of the first and second
温度測定素子(ダイオード)25を第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの外周部に配置することで、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの通電経路となる上面の電極面積を広く使うことができる。これにより第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bのオン抵抗を低減でき、発熱を低減できる。
By disposing the temperature measuring element (diode) 25 on the outer periphery of the first and second
また、第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21b内の最大温度になる部分と温度測定素子(ダイオード)25で測定している部分における温度の相関関係を調べておけば、温度測定素子(ダイオード)25の搭載位置は第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの最大温度の位置になくても最大スイッチング素子温度を算出することができ、スイッチング素子の保護を行うことができる。
Further, if the correlation between the temperature in the portion where the maximum temperature in the first and second
以上のように本実施の形態によれば、温度測定素子(ダイオード)25の搭載位置を第1及び第2半導体スイッチング素子21a及び21bの外周側に配置することにより、さらに半導体スイッチング素子の発熱を低減することができる。
As described above, according to the present embodiment, the mounting position of the temperature measuring element (diode) 25 is arranged on the outer peripheral side of the first and second
100 回転電機、2 固定子、2a 固定子鉄心、2b 固定子巻線、
2b1及び2b2 三相巻線、3 回転子、3a 回転子鉄心、3b 界磁巻線、
5 スリップリング、6 冷却ファン、7 ブラシ、8 ブラシホルダ、
10 ヒートシンク、10a 冷却フィン、11 中継基板、12 ケース、
13 コネクタ、14 配線部材、15 制御回路部、20 パワー回路部、
21a及び21b 第1及び第2半導体スイッチング素子、22 信号端子、
23a,23b,23c 第1、第2、第3金属フレーム、24 パワー配線端子、
25 温度測定素子、26a 信号接続用パッド、26b 温度測定用パッド、
27 封止樹脂、28 ワイヤー、30 界磁回路部、40 電子モジュール、
50 回転軸、60 バッテリ、70a及び70b インバータ部。
100 Rotating electric machine, 2 Stator, 2a Stator core, 2b Stator winding,
2b1 and 2b2 three-phase winding, 3 rotor, 3a rotor core, 3b field winding,
5 slip ring, 6 cooling fan, 7 brush, 8 brush holder,
10 heat sink, 10a cooling fin, 11 relay board, 12 case,
13 Connector, 14 Wiring member, 15 Control circuit part, 20 Power circuit part,
21a and 21b first and second semiconductor switching elements, 22 signal terminals,
23a, 23b, 23c first, second and third metal frames, 24 power wiring terminals,
25 Temperature measurement element, 26a Signal connection pad, 26b Temperature measurement pad,
27 sealing resin, 28 wires, 30 field circuit section, 40 electronic module,
50 rotating shaft, 60 battery, 70a and 70b inverter part.
Claims (13)
上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続しており、
上記温度測定素子に上記温度測定端子を接続した上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗を、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち他方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗より高くした半導体モジュール。 First and second semiconductor switching elements connected in series, and first and second metal frames mounted with the first and second semiconductor switching elements, respectively, and at least of the first and second semiconductor switching elements A semiconductor module in which a temperature measuring element is formed in one semiconductor switching element, and the first and second semiconductor switching elements and the first and second metal frames are encapsulated with resin,
A temperature measurement terminal is connected only to the temperature measurement element of one of the first and second semiconductor switching elements ,
The thermal resistance of the metal frame on which one of the first and second semiconductor switching elements having the temperature measuring terminal connected to the temperature measuring element is mounted, and the other of the first and second semiconductor switching elements. A semiconductor module having a higher thermal resistance than the metal frame on which the semiconductor switching element is mounted .
上記パワー回路部として、直列に接続された第1及び第2半導体スイッチング素子と、上記第1及び第2半導体スイッチング素子をそれぞれ搭載した第1及び第2金属フレームを備え、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子に温度測定素子を形成し、上記第1及び第2半導体スイッチング素子並びに上記第1及び第2金属フレームを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、上記第1及び第2半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続した半導体モジュールを備え、The power circuit unit includes first and second semiconductor switching elements connected in series, and first and second metal frames on which the first and second semiconductor switching elements are mounted, respectively. A semiconductor module in which a temperature measuring element is formed on at least one of the semiconductor switching elements, and the first and second semiconductor switching elements and the first and second metal frames are encapsulated with resin. A semiconductor module having a temperature measurement terminal connected only to the temperature measurement element of one of the first and second semiconductor switching elements,
上記パワー回路部の上下アームのスイッチング素子として、上記半導体モジュールの上記第1及び第2半導体スイッチング素子を使用した回転電機。 A rotating electrical machine using the first and second semiconductor switching elements of the semiconductor module as switching elements of upper and lower arms of the power circuit unit.
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