JP6637812B2

JP6637812B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6637812B2
Application number: JP2016068793A
Authority: JP
Inventors: 和成黒川; 譲高嶋; 優太中村
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017183530A

Description

本発明は、発熱する半導体素子を備えた半導体装置に関する。

例えば電気自動車などに搭載されるインバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれる一種の半導体素子が実装されている。駆動力を得るためのパワー系統の回路では、ＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦすることで回路内の平滑コンデンサの電荷を使用し、モータを駆動させている。モータの駆動時において、大電流がＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦ動作によって流れるため、ＩＧＢＴが発熱する。

このため、インバータにはＩＧＢＴの発熱による過熱を抑制するために、インバータ冷却装置が備えられている。インバータ冷却装置としては、冷却水を用いた水冷方式を採用しており、水冷方式のインバータ冷却装置は、冷却回路内にラジエータやポンプ等を備えている。このような水冷方式のインバータ冷却装置を備えた電気自動車に関する技術として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。

特許文献１に示される技術は、インバータに温度センサが取り付けられ、インバータＥＣＵは温度センサからの入力に基づきインバータの温度を検出する。インバータの温度が急激に上昇する場合、すなわち温度変化率が大きい場合に、インバータＥＣＵはインバータへのトルク指令値を調整して半導体のスイッチング素子の発熱量を小さくする。

一方、水冷方式のインバータ冷却装置では、冷却水がインバータ冷却装置から漏れる冷却水抜けや、冷却水を循環させるポンプが故障して冷却水が循環していない、いわゆる水抜けが発生する虞があるため、何らかの手段で水抜けによる異常を検知できれば好ましい。

この対策としては、例えば特許文献２のように、ＩＧＢＴ用の温度センサとは別にインバータ冷却装置の冷却水管中に水温センサを設け、水温から冷却水抜けを検知するものが知られている。
しかし、特許文献２の技術のように、温度センサとは別に水温センサを設けて水抜けを検知していたのではセンサが複数になるため、装置が複雑になる上、装置のコストが高くなる。
そのため、半導体素子からの熱を放熱するインバータ冷却装置のような放熱部材を備えた半導体装置であって、冷却配管中に水温センサを用いることなく、簡易で且つ廉価な構成で正確に水温を検出することができる技術が求められる。

特開平１０−２１０７９０号公報特許第５３７８２６４号公報

本発明は、冷却配管中に水温センサを用いることなく、簡易で且つ廉価な構成で正確に水温を検出することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、発熱する半導体素子と、該半導体素子を一方の面に実装する絶縁基板と、該絶縁基板の他方の面に設けられ前記半導体素子からの熱を放熱する放熱部材とを備える半導体装置であって、前記絶縁基板の一方の面に実装される温度センサと、前記絶縁基板上に実装された前記半導体素子及び前記温度センサとの間に、前記半導体素子から発熱の熱伝導を防止する熱伝導防止部とを備えており、前記熱伝導防止部は、前記絶縁基板の両面に形成されたスリットであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、半導体装置は、発熱する半導体素子と、該半導体素子を一方の面に実装する絶縁基板と、該絶縁基板の他方の面に設けられ半導体素子からの熱を放熱する放熱部材とを備える。絶縁基板の一方の面に温度センサが実装され、半導体素子と温度センサとの間に半導体素子から発熱の熱伝導を防止する熱伝導防止部とを備えているので、温度センサは、絶縁基板に実装されていても半導体素子の熱ではなく、放熱部材の温度を検知することができる。結果、放熱部材をウォータージャケットとした場合に、従来技術のように冷却装置の冷却配管中に水温センサを用いることなく、廉価な構成で正確に水温を検出することができ、冷却水を循環させるポンプの故障や冷却水抜けなどによって発生する冷却水の循環異常であるインバータ冷却装置の冷却異常を検知できる。

加えて、熱伝導防止部は、絶縁基板に形成されたスリットであるので、余分な部品を必要とせず、簡易な構成とすることができる。

本発明に係る半導体装置の回路図である。本発明に係る半導体装置の要部を説明する概略図である。図２の３−３線断面図である。インバータ冷却装置及び水抜け検知装置の構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１は半導体装置の回路図及びインバータ冷却装置の構成を示すブロック図であり、駆動システムとしての半導体装置１０のインバータ２０に、インバータ冷却装置３０が設けられている。

半導体装置１０は、電気自動車又はいわゆるハイブリット車に搭載され、モータ１１により車輪を駆動させるものである。半導体装置１０は、電源１２と、電源１２からの電力を直流から交流に変換するインバータ２０と、インバータ２０からの電力により駆動するモータ１１と、インバータ２０のスイッチング時のゲート電圧を制御するゲートドライバ１３と、ゲートドライバ１３を制御するモータＥＣＵ１４とを備えている。

モータ１１には、インバータ２０が導電線１５で接続されている。インバータ２０には、電源１２が導電線１６を介して接続されている。また、導電線１６には、電路を開閉するコンタクタ１７が設けられ、このコンタクタ１７よりもインバータ２０側に導電線１６間を接続するように導電線１８が設けられ、導電線１８上に平滑コンデンサ１９が設けられている。

インバータ２０は、複数の半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ（以下、半導体素子という）２１と、各々の半導体素子２１の位置におけるウォータージャケット３１の水温を検出する複数の温度センサ２２（図２参照）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の構成部品（不図示）を備えている。また、半導体素子２１のゲートは、導線２３でゲートドライバ１３に接続されている。なお、半導体素子２１は、ＩＧＢＴと還流ダイオードを含むものとしてもよい。

インバータ冷却装置３０は、インバータ２０を冷却水により冷却するウォータージャケットとしての放熱部材３１と、インバータ２０の外方に配置され冷却水の熱交換を行うラジエータ３２と、インバータ２０の外方に配置され冷却水を循環させるポンプ３３とを備えている。

放熱部材３１には、冷却水が入る冷却水入口３４と、冷却水が出る冷却水出口３５とが設けられている。ポンプ３３から延びる第１配管３６が冷却水入口３４に接続され、冷却水出口３５から延びる第２配管３７がラジエータ３２に接続され、ラジエータ３２から延びる第３配管３８がポンプ３３に接続されている。

冷却水は、ポンプ３３から第１配管３４に送り出され、冷却水入口３４から放熱部材３１内に入って半導体素子２１を冷却し、温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、冷却水出口３５から排出され第２配管３７を通ってラジエータ３２に送られる。ラジエータ３２で熱交換されることで冷却水の温度が低下し、温度の低下した冷却水は第３配管３８を通ってポンプ３３に送られる。

図２に示すように、ゲートドライバ１３には、半導体素子２１のゲートを制御する導線２３と、半導体素子２１の過電流を検出する導線５１と、半導体素子２１の温度を検出する感温ダイオード２９から延びる導線５２と、ウォータージャケット３１の水温を検出する温度センサ２２から延びる導線５３とが接続されている。

制御部としてのゲートドライバ１３は、半導体素子２１の温度を電圧値として検出する検出部でもあり、温度センサ２２の基準電圧を半導体素子２１のエミッタ電位と同電位にすることで、ゲートドライバ１３で半導体素子２１の温度を検出することができる。

図２、図３に示すように、半導体素子２１は半田２４を介して絶縁基板２５の一方の面２５ａに実装され、この絶縁基板２５の他方の面２５ｂには半田２６を介して放熱部材３１が接合されている。また、絶縁基板２５には、放熱部材３１の水温を検出する温度センサ２２が実装されている。絶縁基板２５は、セラミックから構成される絶縁層２５ｃと、銅によって絶縁層２５ｃを挟むように形成される上側の銅層２５ｄ及び下側の銅層２５ｅとを備えている。

詳細には、上側の銅層２５ｄに半田２４を介して半導体素子２１及び温度センサ２２が実装されている。上側の銅層２５ｄには、半導体素子２１及び温度センサ２２との間に、半導体素子２１からの発熱の熱伝導を防止する熱伝導防止部２７が形成されている。また、下側の銅層２５ｅには、半導体素子２１及び温度センサ２２との間に、半導体素子２１からの発熱に熱伝導を防止する熱伝導防止部２８が形成されている。

熱伝導防止部２７、２８は、絶縁基板２５に形成されたスリット２７、２８である。熱伝導防止部２７、２８は、絶縁基板２５にスリット２７、２８を形成するだけであるので、余分な部品を必要とせず、簡易な構成とすることができる。

絶縁基板２５の一方の面２５ａに温度センサ２２が実装され、半導体素子２１と温度センサ２２との間に熱伝導防止部としてのスリット２７とを備えているので、半導体素子２１が発熱した場合でも、スリット２７によって熱が半導体素子２１側の銅層２５ｂから温度センサ２１側の銅層２５ｂへ伝わりにくくなるため、温度センサ２２側の銅層２５ｂの温度はウォータージャケット３１の温度と同じになる。よって、温度センサ２２は、絶縁基板２５に実装されていても半導体素子２１の熱が伝わらず、放熱部材３１の温度を検知することができる。結果、放熱部材３１をウォータージャケット３１とした場合に、インバータ冷却装置３０の冷却配管中に水温センサを用いることなく、廉価な構成で正確にウォータージャケット３１内の水温を検出することができ、水温を検出することで冷却水がウォータージャケット３１から抜ける水抜けを検知できる。

なお、絶縁基板２５の構成は、セラミック、銅に限らず、他の一般的な材料によって構成しても差し支えない。

図４に示すように、放熱部材３１には、複数の絶縁基板２５が設けられている。絶縁基板２５は、半導体素子２１と、温度センサ２２とを備えている。温度センサ２２は、導線５３を介して水抜けを検知する検知部４３に接続されている。なお、検知部４３は、ゲートドライバ１３（図２参照）内に設けられているが、検知部４３をゲートドライバ１３と独立して設けてもよい。

インバータ冷却装置３０の水抜け検知装置４０は、発熱する半導体素子２１と、この半導体素子２１を冷却する放熱部材３１と、各々の半導体素子２１の位置における温度を検出する温度センサ２２と、放熱部材３１の冷却水の水抜けを検知する検知部４３とを備えている。

また、ウォータージャケット３１内では、上流側と下流側とで冷却水の温度が異なる。冷却水入口３４の近傍に配置される温度センサ２２ａと、冷却水出口３５の近傍に配置される温度センサ２２ｂによって、ウォータージャケット３１の上流側の水温と下流側の水温を検知できる。温度センサ２２ａ、２２ｂによって冷却水入口３４近傍と冷却水出口３５近傍の温度差を検知することが可能となる。

インバータ冷却装置３０が正常な状態では、冷却水出口３５近傍の温度センサ２２ｂで検知される水温は、冷却水入口３４近傍の温度センサ２２ａで検知される水温よりも高く、冷却水出口３５近傍の温度センサ２２ｂ及び冷却水入口３４近傍の温度センサ２２ａで検知される水温は、水温及び温度差が一定に保たれた状態となる。

一方、ポンプの故障や水漏れなどが発生し、インバータ冷却装置３０の冷却が異常になった場合は、冷却水出口３５の水温が上昇し、冷却水出口３５近傍の温度センサ２２ｂで検知される温度と冷却水入口３４近傍の温度センサ２２ａで検知される水温との温度差Δｔが大きくなる。

検知部４３は、冷却水出口３５近傍の温度センサ２２ｂで検知される温度と冷却水入口３４近傍の温度センサ２２ａで検知される水温との温度差Δｔが、所定のしきい値ΔＴ１を超える場合に、適切に冷却されていないとし、冷却水が放熱部材３１から抜ける水抜けが発生していると判断する。

パワーモジュール（感温ダイオード２９（図２参照））の発熱量をＰｐｍとし、インバータ冷却装置３０の流量をＱとし、任意の係数をＡとすると、しきい値ΔＴ１は次式で求められる。
ΔＴ１＝（Ｐｐｍ／Ｑ）×Ａ

また、感温ダイオード２９（図２参照）から検出される温度に基づいて、しきい値ΔＴ１を変更することで、水抜け検知の精度を向上させることができる。さらに、複数の半導体素子２１の検出温度の平均温度に基づいて、しきい値ΔＴ１を変更することで、温度変化のノイズが除去され水抜け検知の精度をより向上させることができる。

尚、実施例では、絶縁基板２５の上側の銅層２５ｄ及び下側の銅層２５ｅの両方に熱伝導防止部（スリット）２７を設けたが、これに限定されず、上側の銅層２５ｄのみに伝導防止部（スリット）２７を設けても差し支えない。また、下側の銅層２５ｅのみに伝導防止部（スリット）２７を設けても差し支えない。さらに、実施例では、半導体素子２１と温度センサ２２の間に熱伝導防止部（スリット）２７を１つ設けたか、これに限定されず、熱伝導防止部（スリット）２７を２つ、３つ等、複数重なるように設けても差し支えない。

また、実施例では、放熱部材３１をウォータージャケットとしたが、これに限定されず、放熱部材３１をヒートシンクとしても差し支えない。
また、半導体装置１０は、電動車両や、いわゆるハイブリット車両に搭載される他、舶用や一般産業用に供することもできる。

本発明は、車両に搭載される半導体装置に好適である。

１０...半導体装置（駆動システム）、２１...半導体素子（ＩＧＢＴ）、２２...温度センサ、２２ａ...冷却水入口近傍の温度センサ、２２ｂ...冷却水出口近傍の温度センサ、２５...絶縁基板、２５ａ...一方の面、２５ｂ...他方の面、２５ｃ...絶縁層、２５ｄ...上側の銅層、２５ｅ...下側の銅層、２７、２８...熱伝導防止部（スリット）、３１...放熱部材（ウォータージャケット）。

Claims

発熱する半導体素子と、
該半導体素子を一方の面に実装する絶縁基板と、
該絶縁基板の他方の面に設けられ前記半導体素子からの熱を放熱する放熱部材とを備える半導体装置であって、
前記絶縁基板の一方の面に実装される温度センサと、
前記絶縁基板上に実装された前記半導体素子及び前記温度センサとの間に、前記半導体素子から発熱の熱伝導を防止する熱伝導防止部とを備えており、
前記熱伝導防止部は、前記絶縁基板の両面に形成されたスリットであることを特徴とする半導体装置。