JP6260710B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は半導体モジュールに関し、特に電力変換用のスイッチング素子、ダイオードおよび制御ＩＣ（Integrated Circuit）を１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールに関する。
電力変換用のインバータ回路などでは、スイッチング素子として低損失化、高周波化に優れたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。このようなＩＧＢＴは、単体の素子から、保護用のダイオード（フリーホイーリングダイオード）と、駆動回路や各種保護回路などの周辺回路を含む制御ＩＣとをモジュール内部に取り込んだＩＰＭ（Intelligent Power Module）へと進化している。
図１１は従来のＩＰＭの内部構成の一例を示す図である。
この図１１に示したＩＰＭ１００では、三相交流電圧を出力するインバータを構成している。そのため、ＩＰＭ１００は、正極電源端子Ｐ、負極電源端子Ｎおよび出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを有し、６個のＩＧＢＴ１０１〜１０６を内蔵している。ＩＧＢＴ１０１〜１０６は、それぞれ同一の回路パターン上に搭載された保護用のダイオード１１１〜１１６によって逆並列に接続されている。正極電源端子Ｐと負極電源端子Ｎとの間には、３組のアーム部を構成するようにＩＧＢＴ１０１，１０２、ＩＧＢＴ１０３，１０４およびＩＧＢＴ１０５，１０６がそれぞれ直列に接続されている。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各アーム部の中間接続部は、それぞれ出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。
ＩＧＢＴ１０１〜１０６は、それぞれの表面（エミッタ端子）の中央に絶縁層を介してＰＮ接合を持つ温度検出用ダイオードが形成されている。これにより、ＩＧＢＴ１０１〜１０６は、温度検出用ダイオードの温度依存性のある順方向電圧をモニタすることによって、ジャンクション温度に近いチップ温度が観測可能になっている。
ＩＧＢＴ１０１〜１０６は、また、それらのゲート端子および温度検出用ダイオードが制御ＩＣ１２１〜１２６に接続されている。制御ＩＣ１２１〜１２６は、ＩＧＢＴ１０１〜１０６をスイッチング制御するとともに、温度検出用ダイオードに定電流を流してＩＧＢＴ１０１〜１０６の過熱状態を検出している。
ＩＰＭ１００は、また、チップ温度を検出するものとは別にケース温度を検出する専用の温度検出ＩＣ１３１が内蔵されている。この温度検出ＩＣ１３１は、絶縁基板の一部に搭載されて、その場所の温度を検出することによって、ＩＰＭ１００のケースの過熱状態を検出している。温度検出ＩＣ１３１の温度検出素子としては、一般にサーミスタが用いられる（たとえば、特許文献１参照）が、ここでは、ＩＧＢＴ１０１〜１０６の温度検出用ダイオードと同じ構造のダイオードを温度検出ＩＣ１３１のベアチップ上に形成したものを用いている。
図１２は従来のＩＰＭの過熱保護回路を示す回路図、図１３は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図であって、（Ａ）はチップ過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示し、（Ｂ）はケース過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示している。
制御ＩＣ１２１〜１２６は、図１２に示したように、それぞれＩＧＢＴ１０１〜１０６と接続されている。すなわち、制御ＩＣ１２１〜１２６は、それぞれゲート電圧を出力する出力端子ＯＵＴと、グランド端子ＧＮＤと、過電流検出端子ＯＣと、過熱検出端子ＯＨとを備えている。
出力端子ＯＵＴは、ＩＧＢＴ１０１〜１０６のゲート端子に接続され、グランド端子ＧＮＤは、ＩＧＢＴ１０１〜１０６のエミッタ端子に接続され、過電流検出端子ＯＣは、ＩＧＢＴ１０１〜１０６の電流センス用エミッタ端子に接続されている。
過熱検出端子ＯＨは、制御ＩＣ１２１〜１２６内では、定電流源１４１と過熱検出コンパレータ１４２の反転入力端子とに接続され、過熱検出コンパレータ１４２の非反転入力端子は、基準電圧源１４３に接続されている。過熱検出端子ＯＨは、また、ＩＧＢＴ１０１〜１０６の温度検出用ダイオード１０７のアノード端子に接続され、温度検出用ダイオード１０７のカソード端子は、グランド端子ＧＮＤを介して制御ＩＣ１２１〜１２６のグランド電位に接続されている。
温度検出用ダイオード１０７には、定電流源１４１による定電流が常に流されており、ＩＧＢＴ１０１〜１０６のチップ温度に対応する順方向電圧が過熱検出コンパレータ１４２の反転入力端子に印加されている。ここで、温度検出用ダイオード１０７の温度特性は、図１３の（Ａ）に示したように、負の温度特性を有し、基準電圧源１４３が１７５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ１を出力しているとする。これにより、チップ温度が１７５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ１４２は、ローレベルの保護動作信号を出力し、チップ温度が１７５℃以上の高温になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力されると、制御ＩＣ１２１〜１２６は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１０１〜１０６をすべてオフにする制御を行う。
一方、温度検出ＩＣ１３１は、温度検出用ダイオード１３２と、定電流源１３３と過熱検出コンパレータ１３４とを備えている。温度検出用ダイオード１３２は、そのアノード端子が定電流源１３３と過熱検出コンパレータ１３４の反転入力端子とに接続され、カソード端子がグランドに接続されている。過熱検出コンパレータ１３４の非反転入力端子は、基準電圧源１３５に接続されている。
温度検出用ダイオード１３２には、定電流源１３３による定電流が常に流されており、ケース温度に対応する順方向電圧が過熱検出コンパレータ１３４の反転入力端子に印加されている。ここで、温度検出用ダイオード１３２の温度特性は、図１３の（Ｂ）に示したように、負の温度特性を有し、基準電圧源１３５が１２５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ２を出力しているとする。これにより、ケース温度が１２５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ１３４は、ローレベルの保護動作信号を出力し、ケース温度が１２５℃の中温以上になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力されると、温度検出ＩＣ１３１は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１０１〜１０６をすべてオフにする制御を行う。
特開２００２−１８４９４０号公報（段落〔０１０９〕）
しかしながら、従来のＩＰＭでは、ケースの過熱検出のために専用の温度検出ＩＣが必要であり、しかも、ケースの過熱検出は、温度検出ＩＣが搭載されている箇所の一点であって、他の地点で過熱があっても検出することができない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、専用の温度検出ＩＣが不要でありながらケース全体の過熱を検出すること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。
本発明では、上記の課題を解決するために、それぞれチップ温度検出のための温度検出素子が形成された複数のスイッチング素子と、スイッチング素子を保護する複数のダイオードと、スイッチング素子を制御する複数の制御回路とを１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールが提供される。この半導体モジュールでは、制御回路は、温度検出素子による検出温度をケース用の所定の基準温度と比較するコンパレータをそれぞれ備え、さらに、制御回路の少なくとも１つは、コンパレータのうちの少なくとも２つの出力を受けてケース過熱を判断する論理積回路を備えていることを特徴とする。
上記構成の半導体モジュールは、専用の温度検出ＩＣを有することなしにケースの過熱を検出することができるので、部品点数を削減することができるという利点がある。また、ケース過熱保護の動作温度として発熱源であるチップの温度を検出しているので、検出精度を向上することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
第１の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第３の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第４の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第６の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第７の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第８の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第９の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 従来のＩＰＭの内部構成の一例を示す図である。 従来のＩＰＭの過熱保護回路を示す回路図である。 温度検出用ダイオードの温度特性を示す図であって、（Ａ）はチップ過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示し、（Ｂ）はケース過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示している。
以下、本発明の実施の形態について、６個のＩＧＢＴをスイッチング制御することにより三相交流電圧を出力するように構成されたインバータ機能を有する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。なお、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。
図１は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図、図２は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。
第１の実施の形態に係る半導体モジュールでは、複数の、ここでは、６個のＩＧＢＴ１〜６を備えており、それぞれのＩＧＢＴ１〜６には、温度検出用ダイオード１ａ〜６ａが密着して形成されている。
制御回路としての制御ＩＣ１１〜１６は、それぞれゲート電圧を出力する出力端子ＯＵＴと、グランド端子ＧＮＤと、過電流検出端子ＯＣと、過熱検出端子ＯＨとを備えている。ここで、出力端子ＯＵＴは、ＩＧＢＴ１〜６のゲート端子に接続され、グランド端子ＧＮＤは、温度検出用ダイオード１ａ〜６ａのカソード端子に接続され、過電流検出端子ＯＣは、ＩＧＢＴ１〜６の電流センス用エミッタ端子に接続されている。グランド端子ＧＮＤは、また、ＩＧＢＴ２，４，６のエミッタ端子に接続されている。
制御ＩＣ１１〜１６は、定電流源２１〜２６と、チップ過熱検出用の過熱検出コンパレータ３１〜３６と、基準電圧源４１〜４６と、ケース過熱検出用の過熱検出コンパレータ５１〜５６と、基準電圧源６１〜６６と、ＡＮＤ（論理積）回路７１〜７６とを備えている。ここで、過熱検出コンパレータ３１〜３６および基準電圧源４１〜４６は、チップ過熱保護回路を構成し、過熱検出コンパレータ５１〜５６、基準電圧源６１〜６６およびＡＮＤ回路７１〜７６は、ケース過熱保護回路を構成している。
定電流源２１〜２６は、過熱検出コンパレータ３１〜３６，５１〜５６の反転入力端子と、過熱検出端子ＯＨとに接続されている。過熱検出コンパレータ３１〜３６，５１〜５６の非反転入力端子は、基準電圧源４１〜４６，６１〜６６に接続されている。過熱検出コンパレータ３１〜３６の出力端子は、図示しないアラーム出力回路およびゲート遮断制御回路に接続されている。過熱検出コンパレータ５１〜５６の出力端子は、過熱検出端子５１ａ〜５６ａとＡＮＤ回路７１〜７６の１つの入力に接続されている。ＡＮＤ回路７１〜７６の出力端子は、図示しないアラーム出力回路およびゲート遮断回路に接続されている。ＡＮＤ回路７１〜７６は、複数の、ここでは６つの入力を有している。ＡＮＤ回路７１は、２〜６番目の入力に、制御ＩＣ１２〜１６の過熱検出端子５２ａ〜５６ａがそれぞれ接続されている。
制御ＩＣ１１〜１６の過熱検出端子ＯＨは、ＩＧＢＴ１〜６の温度検出用ダイオード１ａ〜６ａのアノード端子に接続され、温度検出用ダイオード１ａ〜６ａのカソード端子は、グランド端子ＧＮＤを介して制御ＩＣ１１〜１６のグランド電位に接続されている。
温度検出用ダイオード１ａ〜６ａには、定電流源２１〜２６による定電流が常に流されており、ＩＧＢＴ１〜６のチップ温度に対応する順方向電圧が過熱検出電圧として過熱検出端子ＯＨに出力されている。過熱検出端子ＯＨの過熱検出電圧は、チップ過熱検出用の過熱検出コンパレータ３１〜３６の反転入力端子とケース過熱検出用の過熱検出コンパレータ５１〜５６の反転入力端子とに印加される。ここで、温度検出用ダイオード１ａ〜６ａの温度特性は、図２に示したように、温度が高くなるほど過熱検出電圧が低くなる負の温度特性を有している。また、チップ過熱保護回路の基準電圧源４１〜４６は、１７５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ１を出力し、ケース過熱保護回路の基準電圧源６１〜６６は、１２５℃の温度（所定の基準温度）に対応する電圧ＶＯＨ２を出力しているとする。なお、基準電圧源４１〜４６，６１〜６６が出力する過熱検出しきい値電圧は、１７５℃および１２５℃以外の他の値に対応する電圧を選択することができる。
これにより、ＩＧＢＴ１〜６のチップ温度が１７５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ３１〜３６は、ローレベルの保護動作信号を出力し、ＩＧＢＴ１〜６のいずれか１つのチップ温度が１７５℃以上の高温になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力された制御ＩＣ１１〜１６は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６をすべてオフにする制御を行う。
また、ＩＧＢＴ１〜６のチップ温度が１２５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ５１〜５６は、ローレベルの保護動作信号を出力し、チップ温度が１２５℃の中温以上になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。過熱検出コンパレータ５１〜５６の保護動作信号は、制御ＩＣ１１のケース過熱保護回路におけるＡＮＤ回路７１に入力される。したがって、このＡＮＤ回路７１は、すべての過熱検出コンパレータ５１〜５６が中温以上のチップ温度を検出したとき、ケースが過熱状態にあると判断され、過熱検出端子５１ｂにハイレベルの保護動作信号を出力する。過熱検出端子５１ｂの保護動作信号は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６をすべてオフにする制御を行う。
なお、この第１の実施の形態に係る半導体モジュールでは、すべての温度検出用ダイオード１ａ〜６ａによる検出結果を論理積演算することによってケースの過熱状態を判断している。しかし、温度検出用ダイオード１ａ〜６ａのうちの２以上の過熱検出電圧を論理積演算することによってもケースの過熱状態を判断することは可能である。
また、従来の半導体モジュールで独立して設けていたケース過熱保護用の温度検出ＩＣを省くことができ、部品点数の削減に繋がる。また、ケース過熱保護の動作温度について、ＩＰＭの発熱源であるチップ温度を直接検出しているので、検出精度を向上させることができる。
図３は第２の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、各上アーム部の３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａによる過熱検出電圧によってケースの過熱状態を判断している。このため、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５３，５５の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよい。
図４は第３の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第３の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、各下アーム部の３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａによる過熱検出電圧によってケースの過熱状態を判断している。このため、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５４，５６の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。
図５は第４の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第４の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、上アーム部の２つと下アーム部の１つの計３箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５の温度検出用ダイオード１ａ，５ａと下アーム部の１つのＩＧＢＴ４の温度検出用ダイオード４ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。３箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５４，５５の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ１，４，５の温度検出用ダイオード１ａ，４ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１，３またはＩＧＢＴ３，５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の１つのＩＧＢＴ４のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２またはＩＧＢＴ６のチップ温度を観測してもよい。
図６は第５の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第５の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、上アーム部の１つと下アーム部の２つの計３箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３の温度検出用ダイオード３ａと下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６の温度検出用ダイオード２ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。３箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５３，５６の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ２，３，６の温度検出用ダイオード２ａ，３ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１またはＩＧＢＴ５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２，４またはＩＧＢＴ４，６のチップ温度を観測してもよい。
図７は第６の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第６の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、上アーム部の１つと下アーム部の３つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３の温度検出用ダイオード３ａと下アーム部の３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５３，５４，５６の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ２，３，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，３ａ，４ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１またはＩＧＢＴ５のチップ温度を観測してもよい。
図８は第７の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第７の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、上アーム部の３つと下アーム部の１つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａと下アーム部の１つのＩＧＢＴ４の温度検出用ダイオード４ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５３，５４，５５の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ１，３，４，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，４ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、下アーム部の１つのＩＧＢＴ４のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２またはＩＧＢＴ６のチップ温度を観測してもよい。
図９は第８の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第８の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１〜６のうち、上アーム部の２つと下アーム部の２つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５の温度検出用ダイオード１ａ，５ａと下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６の温度検出用ダイオード２ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５２，５５，５６の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ１，２，５，６の温度検出用ダイオード１ａ，２ａ，５ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１〜１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１〜１６のＡＮＤ回路７１〜７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１，３またはＩＧＢＴ３，５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２，４またはＩＧＢＴ４，６のチップ温度を観測してもよい。
図１０は第９の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３〜１６の一部の構成要素は省略してある。
第９の実施の形態に係る半導体モジュールでは、すべてのＩＧＢＴ１〜６のチップ温度の観測によるケース過熱検出とともに、それぞれのＩＧＢＴ１〜６に逆並列に接続されたダイオード９１〜９６の過熱検出を行うものである。特に、この半導体モジュールが図１１の場合のように、各アーム部で、ダイオード９１，９２、ダイオード９３，９４およびダイオード９５，９６がＩＧＢＴ１，２、ＩＧＢＴ３，４およびＩＧＢＴ５，６によって挟まれているようなレイアウトの場合に可能である。このような場合、ＩＧＢＴ１〜６およびダイオード９１〜９６が正常であるとき、各アーム部において上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１〜６が同時に異常発熱するということは希有である。このため、上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１〜６が同時に中温以上に発熱した場合、そのアーム部の少なくとも一方のダイオード９１〜９６は、過熱している可能性があると判断できる。
したがって、この半導体モジュールの制御ＩＣ１１〜１６では、ケース過熱保護回路が追加的にダイオード過熱検出機能を備えるようにしている。なお、この実施の形態では、制御ＩＣ１１〜１６の１個（制御ＩＣ１１）だけケース過熱保護回路がダイオード過熱検出機能を備え、他の５個（制御ＩＣ１２〜１６）は、ダイオード過熱検出機能を持たない構成にした場合を例示している。
制御ＩＣ１１のケース過熱保護回路は、ケース過熱検出用に過熱検出コンパレータ５１、基準電圧源６１、２入力のＡＮＤ回路７１および３入力のＡＮＤ回路７１ａを備え、ダイオード過熱検出用に３入力のＯＲ回路（論理和回路）８１を備えている。制御ＩＣ１２〜１６のケース過熱保護回路は、過熱検出コンパレータ５２〜５６、基準電圧源６２〜６６、２入力のＡＮＤ回路７２〜７６を備えている。
ここで、Ｕ相では、過熱検出コンパレータ５１，５２の出力は、ＡＮＤ回路７１に入力され、Ｖ相では、過熱検出コンパレータ５３，５４の出力は、ＡＮＤ回路７３に入力され、Ｗ相では、過熱検出コンパレータ５５，５６の出力は、ＡＮＤ回路７５に入力されている。さらに、ＡＮＤ回路７１，７３，７５の出力は、ＡＮＤ回路７１ａに入力され、そのＡＮＤ回路７１ａの出力が過熱検出端子５１ｃに接続されている。これにより、すべてのＩＧＢＴ１〜６のチップ温度が中温以上になった場合、ケースが過熱状態にあると判断され、制御ＩＣ１１は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１〜６がすべてオフにされる制御を行う。
一方、ＡＮＤ回路７１，７３，７５の出力は、ＯＲ回路８１にも入力され、そのＯＲ回路８１の出力は、過熱検出端子５１ｄに接続されている。これにより、それぞれのアーム部における上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１，２、ＩＧＢＴ３，４またはＩＧＢＴ５，６が同時に中温以上に過熱した場合、ダイオード９１〜９６のいずれかが過熱状態にあると判断することができる。この場合、ダイオード９１〜９６が高温で動作し続けることは好ましくないので、制御ＩＣ１１は、過熱検出端子５１ｄからハイレベルの保護動作信号を受けたアラーム出力回路がアラーム信号を出力することになる。
このように、第９の実施の形態に係る半導体モジュールによれば、ケース過熱検出機能に加え、ＩＧＢＴ１〜６と同様に発熱するけれども温度検出機能は持たないダイオード９１〜９６の過熱検出も可能にしている。
なお、上記の実施の形態では、６個のスイッチング素子を備えたＩＰＭを例に説明した。しかし、本発明は、そのようなＩＰＭに限定されるものではなく、２個以上の任意数のスイッチング素子を備えた半導体モジュールに適用することが可能である。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
１〜６ ＩＧＢＴ
１ａ〜６ａ 温度検出用ダイオード
１１〜１６ 制御ＩＣ
２１〜２６ 定電流源
３１〜３６ 過熱検出コンパレータ（チップ過熱保護用）
４１〜４６ 基準電圧源
５１〜５６ 過熱検出コンパレータ（ケース過熱保護用）
６１〜６６ 基準電圧源
７１〜７６，７１ａ ＡＮＤ回路
８１ ＯＲ回路
９１〜９６ ダイオード

Claims (9)

  1. それぞれチップ温度検出のための温度検出素子が形成された複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を保護する複数のダイオードと、前記スイッチング素子を制御する複数の制御回路とを１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールにおいて、
    前記制御回路は、前記温度検出素子による検出温度をケース用の所定の基準温度と比較するコンパレータをそれぞれ備え、
    前記制御回路の少なくとも１つは、前記コンパレータのうちの少なくとも２つの出力を受けてケース過熱を判断する論理積回路を備えていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 第１ないし第３アーム部の上アーム部および下アーム部にそれぞれ前記スイッチング素子を配置してインバータ回路が構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
  3. 前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する３つの前記制御回路の下アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  4. 前記論理積回路は、さらに前記コンパレータのうち前記上アーム部の少なくとも１つに配置された前記スイッチング素子を制御する前記制御回路の上アーム用コンパレータの出力を入力していることを特徴とする請求項３記載の半導体モジュール。
  5. 前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記上アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する３つの前記制御回路の上アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  6. 前記論理積回路は、さらに前記コンパレータのうち前記下アーム部の少なくとも１つに配置された前記スイッチング素子を制御する前記制御回路の下アーム用コンパレータの出力を入力していることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール。
  7. 前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記上アーム部の任意の２つにそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の上アーム用コンパレータのそれぞれの出力と、前記下アーム部の任意の２つにそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の下アーム用コンパレータのそれぞれの出力とを入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  8. 前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記第１アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第１アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第１論理積回路と、前記コンパレータのうち前記第２アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第２アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第２論理積回路と、前記コンパレータのうち前記第３アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第３アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第３論理積回路と、前記第１論理積回路、前記第２論理積回路および前記第３論理積回路の出力を入力する第４論理積回路とを有していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  9. 前記第１論理積回路、前記第２論理積回路および前記第３論理積回路の出力を入力する論理和回路をさらに有していることを特徴とする請求項８記載の半導体モジュール。
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