JP7099938B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電流検出機能を有するパワー半導体装置に関する。
電力変換装置の導体に流れる電流を検出する電流検出機能をパワー半導体装置に搭載することで、電力変換装置全体を小型化することが求められている。
特許文献１には、シャント抵抗を用いて電流検出することで電力変換装置を小型化する技術が開示されている。
特開２０１１－２４９４７５号公報
上記のような電力変換装置について、本発明者らが電流検出のさらなる高精度化を検討したところ、以下に説明するような課題が見出された。
特許文献１では、導体に流れる電流の経路と検出端子の経路が重なることで、電流量の検出精度が低下する恐れがある。
したがって、パワー半導体装置において、電流検出を高精度化する技術を提供することが課題となる。
上記課題を解決するために、本発明のパワー半導体装置は、絶縁基板と、半導体素子と、主端子と、電流検出素子とを備え、電流検出素子の主端子に最も近い辺と対向する位置の辺に近い側に、検出端子との接続部に設けたことを特徴とする。
本発明によれば、電流検出が高精度なパワー半導体装置を実現できる。
本実施形態に係るパワー半導体装置の平面図である。 図１のＡ－Ａ’を通る平面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。 図１のＢ－Ｂ’ を通る平面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。 本実施形態に係るシャント抵抗１０３の透過斜視図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置が適用される電力変換システム５００の回路構成図を示す。 交流出力の電流と検出電流の関係を示すグラフである 第２実施形態に係るパワー半導体装置の断面図を示す。 第３実施形態に係るパワー半導体装置の平面図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の平面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るパワー半導体装置１００の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’を通る平面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ’ を通る平面を矢印方向から見たパワー半導体装置１００の断面図である。
図１に示されるように、パワー半導体装置１００は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１と、上アームＭＯＳＦＥＴ１０２と、を有する。下アームＭＯＳＦＥＴ１０１は、インバータ回路の下アーム回路を構成する。上アームＭＯＳＦＥＴ１０２は、インバータ回路の上アーム回路を構成する。本実施形態に係るパワー半導体装置１００は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１と上アームＭＯＳＦＥＴ１０２が１つのパワー半導体装置の中に上アーム回路と下アーム回路を構成する、いわゆる２ｉｎ１タイプである。
図１に示されるように、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１は、配線１０４と接続される。
負極側の端子を構成するＮ側端子１１２は、回路パターン１３２と接続される。
図２及び図３に示されるように、配線１０４は、シャント抵抗１０３を介して回路パターン１３２と接続される。つまり、配線１０４の一部がシャント抵抗１０３に置き換わった状態で回路パターン１３２と接続される。シャント抵抗１０３は、はんだ２０７を介して回路パターン１３２と接続される電極２０３と、はんだ２０８を介して配線１０４と接続される電極２０４と、を有する。
また配線１０４は、はんだ２０６を介して下アームＭＯＳＦＥＴ１０１の電極２０２と接続される。回路パターン１３３は、はんだ２０５を介して、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１の電極２０１と接続される。
図１に示される検出端子１１８と検出端子１１９との間の電圧が測定されることで、Ｎ側端子１１２に流れる電流が検出される。検出端子１１８は、回路パターン１３２と接続される。検出端子１１９は、回路パターン１３８と接続される。
また本実施形態に係るパワー半導体装置１００は、正極側の端子を構成するＰ側端子１１１と、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１と上アームＭＯＳＦＥＴ１０２のスイッチング動作により生成された交流電流を伝達するＡＣ側端子１１３と、を有する。
また下アームのゲート端子１１４は、回路パターン１３４とボンディングワイヤ１２１を介して下アームＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート電極と接続される。下アームのケルビンソース端子１１５は、回路パターン１３５とボンディングワイヤ１２２を介して下アームＭＯＳＦＥＴ１０１のケルビンソース電極と接続される。
上アームのゲート端子１１６は、回路パターン１３６とボンディングワイヤ１２３を介して上アームＭＯＳＦＥＴ１０２のゲート電極と接続される。上アームのケルビンエミッタ端子１１７は、回路パターン１３７とボンディングワイヤ１２４を介して上アームＭＯＳＦＥＴ１０２のケルビンソース電極と接続される。
回路パターン１３１は、上アームＭＯＳＦＥＴ１０２及びＰ側端子１１１と接続される。回路パターン１３３は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１及びＡＣ側端子１１３と接続される。絶縁基板１４１は、回路パターン１３１ないし１３８を実装する。
図１及び図３に示されるように、配線１０５は、はんだ３０６を介して上アームＭＯＳＦＥＴ１０２の電極３０２と接続される。回路パターン１３１は、はんだ３０５を介して、上アームＭＯＳＦＥＴ１０２の電極３０１と接続される。またＮ側端子１１２は、はんだ３１１を介して回路パターン１３２に接続される。
図２及び図３に示されるように、放熱面２１１は、回路パターン１３１ないし１３８が実装された面とは反対側の絶縁基板１４１に設けられる。本実施形態の放熱面２１１は、回路パターン１３１ないし１３８と同様に絶縁基板１４１に形成される導体パターンにより形成される。
本実施形態における課題について比較例を交えて説明する。仮に、回路パターン１３２の面内において検出端子１１８がＮ側端子１１２に近い個所に接続された場合、シャント抵抗１０３に、回路パターン１３２自体のインピーダンスを加えたインピーダンスが検出端子１１８と検出端子１１９間の電圧として現れる。そのため、電流検出の精度が低下するおそれがある。そこで本実施形態では、電流検出の精度低下を抑制するために、シャント抵抗１０３の周辺の構造を変更している。
図４は、本実施形態に係るシャント抵抗１０３の透過斜視図である。
本実施形態に係るシャント抵抗１０３は、回路パターン１３２に面する側であって、Ｎ側端子１１２に近い側に形成される第１辺４０１と、この第１辺４０１と対向する側に形成される第２辺４０２と、を有する。さらに、シャント抵抗１０３は、第２辺４０２に近い側に電極３０４を設ける。図１及び図３に示されるように、電極３０４は、ボンディングワイヤ１２５を介して回路パターン１３８に接続される。これにより、回路パターン１３２のインピーダンスの影響を小さくでき、電流検出の精度を向上できる。
図５は、本実施形態に係るパワー半導体装置が適用される電力変換システム５００の回路構成図を示す。
電力変換装置５５１は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１と上アームＭＯＳＦＥＴ１０２を有するパワー半導体装置が３つ設けられる。それぞれのパワー半導体装置は、交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相に対応する。
電力変換装置５５１は、直流電源５０１と接続されており、電力変換装置５５１と直流電源５０１との相互において電力の授受が行われる。また電力変換装置５５１は、モータ５０５と接続される。モータ５０５は、電力変換装置５５１が供給する三相電力によって動作される。
マイコン回路５０２は、通信用のコネクタ５０６を介して上位の制御装置から指令を受け、上位の制御装置に状態を表すデータを送信する。
下アームＭＯＳＦＥＴ１０１のソース電極は、平滑コンデンサ５０３の負極側の端子に接続される。上アームＭＯＳＦＥＴ１０２のドレイン電極は、平滑コンデンサ５０３の正極側の端子に接続される。
ゲート駆動回路５０４は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１や上アームＭＯＳＦＥＴ１０２のゲート電極とケルビンソース電極との間に設けられ、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１や上アームＭＯＳＦＥＴ１０２をオンオフ制御する。マイコン回路５０２は、ゲート駆動回路５０４へ制御信号を供給する。
シャント抵抗１０３は、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１に流れるドレイン電流を検出する。信号変換回路５１１は、シャント抵抗１０３により検出された検出電流を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの交流配線の電流量に変換し、マイコン回路５０２にフォードバックする。
マイコン回路５０２は信号変換回路５１１からのフォードバック信号を受け、下アームＭＯＳＦＥＴ１０１および上アームＭＯＳＦＥＴ１０２を制御する制御信号を発生し、ゲート駆動回路５０４に供給する。
信号変換回路５１１の具体的な信号変換方法を説明する。図６は、交流出力の電流と検出電流の関係を示すグラフである。
ｉｕはＵ相交流出力の電流、ｉＲは検出電流である。ｉｕは連続的な波形となるのに対し、ｉＲはそのピーク値がｉｕと同一となるものの、パルス状の波形となる。ｉＲはピーク値を検知することで、ｉｕの波形を演算することができる。すわなち、シャント抵抗１０３の検出値を、信号変換回路５１１によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流配線の電流量を演算することができ、マイコン回路５０２のフィードバック信号に利用できる。
図７は、第２実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
本実施形態においては、実施例１で説明したパワー半導体装置の配線１０４が、スペーサ７０３と、絶縁基板７０２に形成された回路パターン７０１と、に置き換わっている。
これにより、シャント抵抗１０３は、放熱面２１１の方向に加えて、絶縁基板７０２に形成された放熱面７０４の方向から放熱することが可能になる。放熱面２１１及び放熱面７０４の両側から放熱が可能になることで、シャント抵抗１０３はより大電流を流すことが可能になる。
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、シャント抵抗で検出する電流を大電流化できる。
図８は、第３実施形態に係るパワー半導体装置８００の平面図である。
本実施例においては、実施例１で説明したパワー半導体装置の配線１０４及び配線１０５が、ボンディングワイヤ８０４及びボンディングワイヤ８０５に変更される。ボンディングワイヤを使用することで、より容易に組立が可能になる。本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、組立性を向上できる。
図９は、他の実施形態に係るパワー半導体装置９００の平面図である。
図１ないし図８における説明では、２ｉｎ１モジュールで説明したが、図９のような一つのアームで構成される１ｉｎ１モジュールでもよい。
下アームＭＯＳＦＥＴ１０１は、回路パターン９３３と接続される。回路パターン９３３は、ドレイン端子９０１と接続される。ソース端子９０２は、回路パターン９３２と接続される。回路パターン９３２及び回路パターン９３３は、絶縁基板９４１上に形成される。
また、ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴやその他のパワー半導体素子でもよい。パワー半導体素子の母材となる材料は、シリコンでもよいし、ＳｉＣでもよい。シャント抵抗と配線パターンへの接合は、実施例に示したはんだ接合でもよいし、焼結接合でもよい。
以上説明したように、本発明は、パワー半導体装置に関し、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に用いるインバータシステムに適用可能である。また、鉄道車両の駆動システムや一般産業のモータドライブにも使用可能である。
なお、本発明の技術的範囲は上記の各実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々の変形例が可能であることはいうまでもない。
１００…パワー半導体装置、１０１…下アームＭＯＳＦＥＴ、１０２…上アームＭＯＳＦＥＴ、１０３…シャント抵抗、１０４…配線、１０５…配線、１２１…ボンディングワイヤ、１２２…ボンディングワイヤ、１２３…ボンディングワイヤ、１２４…ボンディングワイヤ、１１１…Ｐ側端子、１１２…Ｎ側端子、１１３…ＡＣ側端子、１１４…ゲート端子、１１５…ケルビンソース信号端子、１１６…ゲート信号端子、１１７…ケルビンソース信号端子、１１８…検出端子、１１９…検出端子、１２５…ボンディングワイヤ、１３１…回路パターン、１３２…回路パターン、１３３…回路パターン、１３４…回路パターン、１３５…回路パターン、１３６…回路パターン、１３７…回路パターン、１３８…回路パターン、１４１…絶縁基板、２０１…電極、２０２…電極、２０３…電極、２０４…電極、２０１…はんだ、２０５…はんだ、２０６…はんだ、２０７…はんだ、２０８…はんだ、２１１…放熱面、３０１…電極、３０２…電極、３０４…電極、３０５…はんだ、３０６…はんだ、３１１…はんだ、２１１…放熱面、４０１…第１辺、４０２…第２辺、５００…電力変換システム、５０１…直流電源、５０２…マイコン回路、５０３…平滑コンデンサ、５０４…ゲート駆動回路、５０５…モータ、５０６…コネクタ、５１１…信号変換回路、５５１…電力変換装置、７０１…回路パターン、７０２…絶縁基板、７０３…スペーサ、７０４…放熱面、８００…パワー半導体装置、８０４…配線、８０５…配線、９００…パワー半導体装置、９０１…ドレイン端子、９０２…ソース端子、９３２…回路パターン、９３３…回路パターン、９４１…絶縁基板

Claims (5)

  1. 一面に第１導体層が配置される絶縁基板と、
    半導体素子と、
    前記第１導体層に接続する主端子と、
    電流検出素子と、を備え、
    前記電流検出素子は、一面に導体部材を介して前記半導体素子に接続する表面電極と、他面に前記第１導体層に接続する裏面電極と、を有し、
    前記電流検出素子の前記主端子に最も近い辺を第１辺と定義し、第１辺に対向する位置の辺を第２辺と定義した場合に、
    検出端子と前記裏面電極との接続部を、前記第２辺に近い側に設けるパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    検出端子と前記表面電極との接続部を、前記第２辺に近い側に設けるパワー半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載のパワー半導体装置において、
    前記電流検出素子の放熱面が、前記表面電極の方向と前記裏面電極の両方向に設けられるパワー半導体装置。
  4. 請求項１ないし３に記載のいずれかのパワー半導体装置において、
    前記電流検出素子と前記半導体素子との接続配線が板状配線であるパワー半導体装置。
  5. 請求項１ないし３に記載のいずれかのパワー半導体装置において、
    前記電流検出素子と前記半導体素子との接続配線がボンディングワイヤであるパワー半導体装置。
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