JP7396264B2 - 半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本開示は、温度を検出して保護動作を行う半導体モジュール及び電力変換装置に関する。
近年、過熱保護のため、インバーターモジュールに搭載されているＬＶＩＣ（low-voltage integrated circuit）は温度検出機能を有する。モジュール内部で発生する熱は主にＩＧＢＴチップで発生する。ＩＧＢＴチップで発生した熱は、金属製フレーム及び封止用モールド樹脂を介してＬＶＩＣの温度保護回路に到達する（例えば、特許文献１参照）。温度保護回路は、モーターの過負荷動作時又は冷却ファンの故障などモジュール温度が比較的ゆっくり上昇するような現象に対して必要不可欠な保護機能となっている。
特開２０１１－１９９１５０号公報
しかし、モータロック動作又は短絡動作などのＩＧＢＴチップのジャンクション温度Ｔｊが急上昇する過渡動作時には、温度Ｔｊと温度保護回路の温度Ｔｌｖｉｃに温度乖離が生じる。このため、温度保護が不十分になるという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は十分な温度保護を実現することができる半導体モジュール及び電力変換装置を得るものである。
本開示に係る半導体モジュールは、ゲートパッドを有するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の前記ゲートパッドにワイヤにより接続された出力パッドを有し、前記出力パッドから前記スイッチング素子に駆動信号を出力する出力部と、温度を検出して保護動作を行う温度保護回路と、前記出力パッドに接続され、前記出力パッドから前記温度保護回路に向かって延在し、前記スイッチング素子で発生した熱を前記温度保護回路に伝える伝熱パターンとを備えることを特徴とする。
本開示では、スイッチング素子で発生した熱を温度保護回路に伝えるために、出力パッドから温度保護回路に向かって延在する伝熱パターンを設けている。これにより、温度保護回路の温度がスイッチング素子の温度の過渡的変化に追従するため、温度保護回路がスイッチング素子の急峻な温度上昇を正確に検知することができる。従って、モータロック動作又は短絡動作などのスイッチング素子の温度が急峻に上昇する動作モードであっても十分な温度保護を実現し、半導体モジュールの破壊を抑制することができる。
実施の形態１に係る半導体モジュールを示す平面図である。 実施の形態１に係る出力パッドと温度保護回路を拡大した平面図である。 実施の形態１に係る出力パッドと温度保護回路を示す断面図である。 温度保護回路を示す回路図である。 レーザートリミングの動作のフローチャートである。 実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例１を示す平面図である。 実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例２を示す平面図である。 実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例３を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールを示す平面図である。 実施の形態３に係るスイッチング素子と出力部を示す平面図である。 実施の形態３に係る出力パッドと温度保護回路を拡大した平面図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールを適用した電力変換装置の構成を示すブロック図である。
実施の形態に係る半導体モジュール及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールを示す平面図である。この半導体モジュールはインバーターモジュールである。低圧側駆動用途のＬＶＩＣ１がＵ相のスイッチング素子２ａ、Ｖ相のスイッチング素子２ｂ、Ｗ相のスイッチング素子２ｃを駆動する。スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃは例えばＩＧＢＴであり、ゲートパッド３を有する。ＬＶＩＣ１は、入力部４、出力部５ａ，５ｂ，５ｃ、温度保護回路６、電源回路７、過電流保護回路８、電源低下保護回路９を有する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃに対してそれぞれＵ相の出力部５ａ、Ｖ相の出力部５ｂ、Ｗ相の出力部５ｃが設けられている。
入力部４は、外部からの制御信号を出力部５ａ，５ｂ，５ｃに伝達する。出力部５ａ，５ｂ，５ｃは出力パッド１０を有する。出力部５ａ，５ｂ，５ｃの出力パッド１０は、それぞれスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃのゲートパッド３にワイヤ１１により接続されている。ワイヤ１１はＡｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属製ワイヤである。出力部５ａ，５ｂ，５ｃは出力パッド１０からスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃに駆動信号を出力する。
温度保護回路６は温度を検出して保護動作を行う。保護動作にはＯＴ保護とＶＯＴ保護がある。ＯＴ保護では、温度保護回路６が急峻に温度上昇した際に各相の出力部５ａ，５ｂ，５ｃの動作を停止させる。ＶＯＴ保護では、ＬＶＩＣ１自体は自己保護をかけず、外部のマイコンが温度保護回路６の出力電圧ＶＯＴの上昇を感知して制御入力信号を遮断する。
電源回路７は、外部から電源電圧を取り込み、ＬＶＩＣ１内の各回路ブロックに伝達する。過電流保護回路８は、外部接続シャント抵抗で過電流を検知時にスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃを遮断する。電源低下保護回路９は、電源電圧が低下した時にスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃを遮断する。
図２は、実施の形態１に係る出力パッドと温度保護回路を拡大した平面図である。図３は、実施の形態１に係る出力パッドと温度保護回路を示す断面図である。ＬＶＩＣ１の半導体基板１２の上に出力パッド１０と温度保護回路６と伝熱パターン１３が設けられている。伝熱パターン１３は出力パッド１０に接続され、出力パッド１０から温度保護回路６に向かって延在し、温度保護回路６の上に重なっている。伝熱パターン１３と温度保護回路６の間に絶縁膜（不図示）が設けられている。このため、伝熱パターン１３は温度保護回路６に電気的に接続されず、熱的に接続されている。伝熱パターン１３はアルミスパッタにより形成されるが、他の金属により形成してもよい。
スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃで発生した熱がワイヤ１１を介して出力パッド１０に伝わり、この熱を伝熱パターン１３が温度保護回路６に伝える。なお、ワイヤ１１は電気伝導だけでなく熱伝導にも寄与するため、ワイヤ１１の径は２００～５００μｍであることが好ましい。
図４は、温度保護回路を示す回路図である。ＤＣ電源と接地点の間に定電流回路ＣＣと温度センスダイオードＤ１が直列に接続されている。温度センスダイオードＤ１は１つでもよいし、複数個を直列に接続してもよい。温度センスダイオードＤ１のアノード電圧ＯＴＶＦが抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＡの－入力端子に入力される。オペアンプＯＡの出力端子と－入力端子の間に抵抗Ｒ２が接続されている。基準電圧回路の基準電圧ＶＲＥＧＯＴと接地点の間に抵抗Ｒａ、レーザートリミング回路ＬＴ、抵抗Ｒｂが直列に接続されている。レーザートリミング回路ＬＴの出力電圧ＯＴｒｅｆがオペアンプＯＡの＋入力端子に入力される。
オペアンプＯＡが温度センスダイオードＤ１のアノード電圧ＯＴＶＦを反転増幅し、式（１）で示す出力電圧ＶＯＴをアナログ温度信号として出力する。
ＶＯＴ＝ＯＴｒｅｆ・（１＋Ｒ２／Ｒ１）－ＯＴＶＦ・Ｒ２／Ｒ１ …………（１）
温度保護回路６の温度が上昇すると、温度センスダイオードＤ１の順方向電圧が下がり、オペアンプＯＡの出力電圧ＶＯＴが上がる。
素子ばらつきなどによりアノード電圧ＯＴＶＦ及び基準電圧ＶＲＥＧＯＴはばらつく。そこで、以下に説明するように、レーザートリミング回路ＬＴがアノード電圧ＯＴＶＦ及び基準電圧ＶＲＥＧＯＴのばらつきを補正する。図５は、レーザートリミングの動作のフローチャートである。
まず、出力電圧ＶＯＴと基準電圧ＶＲＥＧＯＴを測定する（ステップＳ１）。ＶＲＥＧＯＴがばらつき規格内であるか確認し（ステップＳ２）、規格外の場合はテスト不良品と判定する。ＶＯＴがばらつき規格内であるか確認し（ステップＳ３）、規格外の場合はテスト不良品と判定する。ＶＯＴが規定値であるか確認し（ステップＳ４）、規定値の場合はテスト良品と判定する。そして、レーザートリミング回路ＬＴはＡ点とＢ点をそれぞれ接続状態にする。
レーザートリミング回路ＬＴのＡ点とＢ点の接続時のＯＴｒｅｆは式（２）で求められる。
ＯＴｒｅｆ＝ＶＲＥＧＯＴ・Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ） …………（２）
次に、ＶＯＴが規定値より大きいか確認し（ステップＳ５）、大きい場合はＡ点をカットする。この場合、ＯＴｒｅｆは式（３）で求められる。式（１）及び式（３）によって最適なＶＯＴとなる可変抵抗ＲＬＴを決定する。
ＯＴｒｅｆ＝ＶＲＥＧＯＴ・Ｒｂ／（Ｒａ＋ＲＬＴ＋Ｒｂ） …………（３）
ＶＯＴ出力電圧が規定値より小さい場合はＢ点をカットする。この場合、ＯＴｒｅｆは式（４）で求められる。式（１）及び式（４）によって最適なＶＯＴとなる可変抵抗ＲＬＴを決定する。
ＯＴｒｅｆ＝ＶＲＥＧＯＴ・（ＲＬＴ＋Ｒｂ）／（Ｒａ＋ＲＬＴ＋Ｒｂ） …………（４）
このようにＶＲＥＧＯＴの測定値からＶＯＴが最適値となる可変抵抗ＲＬＴの抵抗値を計算し、ＲＬＴのトリミング値を決定し、トリミングを実行する。
以上説明したように、本実施の形態では、スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃで発生した熱を温度保護回路６に伝えるために、出力パッド１０から温度保護回路６に向かって延在する伝熱パターン１３を設けている。これにより、温度保護回路６の温度Ｔｌｖｉｃがスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの温度Ｔｊの過渡的変化に追従するため、温度保護回路６がスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの急峻な温度上昇を正確に検知することができる。従って、モータロック動作又は短絡動作などのスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの温度が急峻に上昇する動作モードであっても十分な温度保護を実現し、半導体モジュールの破壊を抑制することができる。
また、民生用途又は産業用途等の種々のプロダクトに本実施の形態に係る半導体モジュールを組み込む際に、顧客側システムでの温度保護設定が簡略化できる。さらに、本実施の形態は現行のインバーターモジュール構成で実現可能なため、低コストでインバーターモジュールに搭載されるＬＶＩＣの温度検出精度を向上させることができる。
図６は、実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例１を示す平面図である。直線状の２つ伝熱パターン１３が温度保護回路６の上に重なり、他の直線状の２つの伝熱パターン１３が温度保護回路６のサイドに設けられている。このように複数の伝熱パターン１３を設けることで温度保護回路６への伝熱性が更に向上する。
図７は、実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例２を示す平面図である。伝熱パターン１３が温度保護回路６の周囲を囲んでいる。伝熱パターン１３と温度保護回路６が離間し、伝熱パターン１３から半導体基板１２を介して温度保護回路６に熱が伝わる。なお、伝熱パターン１３が絶縁膜を介して温度保護回路６の側面に接触してもよい。このような伝熱パターン１３でもスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃで発生した熱を温度保護回路６に伝えることができる。
図８は、実施の形態１に係る伝熱パターンの変形例３を示す平面図である。２つの伝熱パターン１３が温度保護回路６の周囲を囲んでいる。このように複数の伝熱パターン１３を設けることで温度保護回路６への伝熱性が更に向上する。
また、伝熱パターン１３は温度保護回路６全体に近接して設けられている。ただし、図４の温度保護回路６の構成において、温度センスダイオードＤ１、レーザートリミング回路ＬＴ及び抵抗Ｒａ，Ｒｂはモジュールの温度変化に追従して素子温度及び特性値が変化し、出力電圧ＶＯＴに寄与する。従って、これらの部分に近接して伝熱パターン１３を設ければよい。
実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る半導体モジュールを示す平面図である。温度保護回路６は、ＬＶＩＣ１に含まれる電源低下保護回路９などの他の回路に比べて出力部５ａ，５ｂ，５ｃの出力パッド１０の近くに配置されている。これにより、温度保護回路６への伝熱性が更に向上するため、スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの温度Ｔｊの急峻な上昇を更に正確に検知することができる。
実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係るスイッチング素子と出力部を示す平面図である。出力部５ａ，５ｂ，５ｃの出力パッド１０の横にダミーパッド１４が設けられている。スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃのゲートパッド３の横にダミーパッド１５が設けられている。
出力部５ａ，５ｂ，５ｃの出力パッド１０がスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃのゲートパッド３に導電性ワイヤ１６により接続されている。出力部５ａ，５ｂ，５ｃのダミーパッド１４がスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃのダミーパッド１５に熱伝導ワイヤ１７により接続されている。
図１１は、実施の形態３に係る出力パッドと温度保護回路を拡大した平面図である。伝熱パターン１３がダミーパッド１４に接続されている。伝熱パターン１３は、ダミーパッド１４から温度保護回路６に向かって延在し、スイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃで発生した熱を温度保護回路６に伝える。その他の構成は実施の形態１，２と同様である。
本実施の形態の構成でも、実施の形態１，２と同様に、温度保護回路６の温度Ｔｌｖｉｃがスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの温度Ｔｊの過渡的変化に追従するため、温度保護回路６がスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの急峻な温度上昇を正確に検知することができる。従って、モータロック動作又は短絡動作などのスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃの温度が急峻に上昇する動作モードであっても十分な温度保護を実現し、半導体モジュールの破壊を抑制することができる。
効率的な熱伝導を行うため、熱伝導ワイヤ１７の径は導電性ワイヤ１６の径よりも太く、例えば２００～５００μｍであることが好ましい。熱伝導ワイヤ１７及び導電性ワイヤ１６はＡｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属製ワイヤである。ただし、熱伝導ワイヤ１７の材質は、ＡｌＮに代表される高熱伝導率ファインセラミックスなどの非導電性部材でもよい。なお、更に効率的な熱伝導を行うため、伝熱パターン１３はダミーパッド１４だけでなく、出力パッド１０にも接続することが好ましい。
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～３に係る半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相インバータに本開示を適用した場合について説明する。
図１２は、実施の形態３に係る半導体モジュールを適用した電力変換装置の構成を示すブロック図である。
電力変換装置は、電源１００、電力変換用の半導体モジュール１０１、誘導負荷１０２、制御回路１０３、放熱フィン１０４を有する。電源１００は直流電源であり、半導体モジュール１０１に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
半導体モジュール１０１は、電源１００と誘導負荷１０２の間に接続された三相インバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、誘導負荷１０２に交流電力を供給する。
誘導負荷１０２は、電力変換用半導体モジュールから供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、誘導負荷１０２は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、又は空調機向けの電動機として用いられる。
以下、半導体モジュール１０１の詳細を説明する。半導体モジュール１０１は、スイッチング素子と還流ダイオード及びそれらの制御用ＩＣを備えており、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力が交流電力に変換された上で誘導負荷１０２に供給される。半導体モジュール１０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る半導体モジュール１０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列接続された６つの還流ダイオードから構成することができる。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとの直列接続によって上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ／Ｖ／Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子すなわち半導体モジュール１０１の３つの出力端子は誘導負荷１０２に接続される。なお、半導体モジュール１０１には上述した実施の形態１～３に係る半導体モジュールを適用する。
半導体モジュール１０１に内蔵される制御用ＩＣは、同じく半導体モジュール１０１に内蔵されるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する。具体的には、後述する制御回路１０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号と、スイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路１０３は誘導負荷１０２に所望の電力が供給されるよう半導体モジュール１０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、誘導負荷１０２に供給すべき電力に基づいて半導体モジュール１０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって半導体モジュール１０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、半導体モジュール１０１に内蔵される制御用ＩＣに制御指令（制御信号）を出力する。同制御用ＩＣはこの制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
放熱フィン１０４は半導体モジュール１０１の駆動によって生じた熱を外部に放出する。具体的には放熱フィン１０４と半導体モジュール１０１との間に接合用グリースを塗布し、放熱フィン１０４及び接合用グリースの熱伝導を利用して半導体モジュール１０１が生成した熱を外部に放出する。なお、放熱フィン１０４は電力変換用半導体モジュールの１側面のみに取り付けてもよいし、両面に取り付けてもよい。
本実施の形態にかかる電力変換装置では、半導体モジュール１０１として実施の形態１～３に係る半導体モジュールを使用するため、電力変換装置の温度保護機能の精度向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの３相インバータに本開示を適した例を説明したが、これに限らず、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置でもよく、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用してもよい。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することもできる。
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることもできる。
２ａ，２ｂ，２ｃ スイッチング素子、３ ゲートパッド、５ａ，５ｂ，５ｃ 出力部、６ 温度保護回路、１０ 出力パッド、１１ ワイヤ、１３ 伝熱パターン、１４，１５ ダミーパッド、１６ 導電性ワイヤ、１７ 熱伝導ワイヤ

Claims (12)

  1. ゲートパッドを有するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子の前記ゲートパッドにワイヤにより接続された出力パッドを有し、前記出力パッドから前記スイッチング素子に駆動信号を出力する出力部と、
    温度を検出して保護動作を行う温度保護回路と、
    前記出力パッドに接続され、前記出力パッドから前記温度保護回路に向かって延在し、前記スイッチング素子で発生した熱を前記温度保護回路に伝える伝熱パターンとを備えることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記伝熱パターンは前記温度保護回路に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記伝熱パターンは前記温度保護回路の周囲を囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  4. 前記伝熱パターンは複数本設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記温度保護回路は、他の回路に比べて前記出力パッドの近くに配置されていることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記ワイヤの径は２００～５００μｍであることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  7. ゲートパッドと、前記ゲートパッドの横に設けられた第１のダミーパッドとを有するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子の前記ゲートパッドに導電性ワイヤにより接続された出力パッドと、前記出力パッドの横に設けられ、前記スイッチング素子の前記第１のダミーパッドに熱伝導ワイヤにより接続された第２のダミーパッドとを有し、前記出力パッドから前記スイッチング素子に駆動信号を出力する出力部と、
    温度を検知して保護動作を行う温度保護回路と、
    前記第２のダミーパッドに接続され、前記第２のダミーパッドから前記温度保護回路に向かって延在し、前記スイッチング素子で発生した熱を前記温度保護回路に伝える伝熱パターンとを備えることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 前記熱伝導ワイヤの径は前記導電性ワイヤの径よりも太いことを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記熱伝導ワイヤの材質は非導電性部材であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体モジュール。
  10. 前記伝熱パターンは前記出力パッドにも接続されていることを特徴とする請求項７～９の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  11. 前記伝熱パターンは金属からなり、前記温度保護回路に電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  12. 入力される電力を変換して出力する請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを制御する制御信号を前記半導体モジュールに出力する制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
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