JPH0682778B2 - パワーモジユールなどの温度センス構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、パワーモジュールなどの温度センス構造に
関し、さらに詳しくは、パワーモジュールなどの出力素
子を用いる回路装置において、作動中の出力素子の発熱
温度を精度よく検出させるための温度センスの組立て構
造の改良に係るものである。

〔従来の技術〕

従来からよく知られているように、パワーモジュールな
どの出力素子を用いる回路装置にあつては、作動中にお
けるパワー出力素子のモジュール発熱による温度上昇
を、近傍に配置させた温度センサにより感知して検出さ
せ、その検出された温度情報を、再度，パワー出力素子
の制御系に帰還させることで、同パワー出力素子の温度
保護を行なわせるようにした手段が採用されている。

従来例によるこの種のパワーモジュールなどの出力素子
を用いる回路装置での温度保護構成の概要を第３図およ
び第４図に示す。

第３図はこのパワーモジュールを用いる回路装置での一
般的な温度保護回路であり、第４図（ａ），（ｂ）は同
上パワー出力素子に対する温度検出のための温度センサ
の配置構造である。

すなわち，まず、第３図に示す温度保護回路の構成にお
いて、この回路装置は、ドライバＡにより制御され、負
荷Ｂに対して作動回路を構成するパワー出力素子（パワ
ーMOS FET）10を有し、温度センサ（例えば、温度依存
性を有するバイポーラトランジスタ）20は、このパワー
出力素子10の可及的近傍に配置されて、その作動に伴な
うジュール発熱の温度を検出し得るようになつており、
回路の作動中，パワー出力素子10に異常な温度上昇を生
じた場合には、温度センサ20による温度検出々力が、誤
差増幅器Ｃを通してドライバＡに帰還され、このパワー
出力素子10を一旦,OFF状態にさせるか、あるいはその出
力を減少させるように作用して、パワー出力素子10の過
度な温度上昇による熱破壊，ないしは熱劣化を未然に防
止し得るようにされている。

なお、この第３図中，符号Ｄは温度センサ10の基準電
源、Ｅは同保護抵抗である。

しかして、前記パワー出力素子10に対する温度検出のた
めの温度センサ20の具体的な配置構造としては、第４図
（同図（ａ）は平面パターン図，同図（ｂ）は同上IVb-
IVb線部の断面図）に示されているように、絶縁層30aと
良熱伝導性板30bおよび所要パターンの金属配線層30cか
らなる実装基板30上にあつて、前記パワー出力素子10に
ついては、その一つの金属配線層30c上にヒートシンク
用の金属ブロック11を介して半田などのろう材により接
合されており、前記温度センサ20についても、別の金属
配線層30c上に半田などのろう材で接合されている。

なお、この第４図中，パワー出力素子10と温度センサ20
との電極取出し，つまり実装基板30上での電極配線とそ
のワイッヤリングとは、共に省略してある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、以上のように構成された従来例によるパ
ワーモジュールの温度保護のための組立て構造の場合，
パワー出力素子10の発熱状態を精度よく検出するために
は、前記したように、このパワー出力素子10に対し、温
度センサ20を可及的に接近して配置させる必要があり、
このような配置構造によると、作動時におけるパワー出
力素子10の実際の発熱温度と温度センサ20によつて検出
される温度との差は、このパワー出力素子10を接合保持
するヒートシンク用の金属ブロック11の形状，構造に規
制された熱容量とか、近傍に配置される他の出力素子か
らの発熱に伴なう熱影響，それに実装基板30を通した全
体の熱流を含む外的な雰囲気温度などの諸条件に左右さ
れて変化すると云う不利があるほか、温度センサ20自体
の応答特性のために時間遅れを生ずることもあつて、こ
の発熱温度を高精度に検出するのが極めて困難であり、
かつまた、例えば複数のパワー出力素子10をブリッジ構
成にして一つの実装基板30上に搭載配置させるような構
造の場合には、前記した各検出条件のために、それぞれ
のパワー出力素子10のすべてに対し、温度検出のための
温度センサ20とその検出回路とを付帯させなければなら
ず、結果的に、パワーモジュールのパッケージ自体が構
造上比較的大きくなると共に、回路構成についてもそれ
自体の複雑化を招き、これらが装置のコストアップの原
因になるなどの好ましくない問題点があつた。

従つて、この発明の目的とするところは、従来例装置で
のこのような問題点に鑑み、出力素子に対するヒートシ
ンク用の金属ブロックの形状，構造配置と、温度検出用
の温度センサとの相対的な配置を工夫して、出力素子の
発熱温度を高精度で検出し得るように構成した，この種
のパワーモジュールなどの温度センサ構造を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

前記した目的を達成させるために、この発明に係るパワ
ーモジュールなどの温度センス構造は、作動時に発熱を
伴なう出力素子の温度上昇を、近傍に配置させた温度セ
ンス素子で検出し、その温度情報を同出力素子の制御系
に帰還させて、温度保護を行なわせるようにしたパワー
モジュールなどの装置構成において、主体部分と、この
主体部分から直接的に，または、所要間隔を介して間接
的に延長された肢体部分とからなるヒートシンク用の金
属ブロックを設け、この金属ブロックの主体部分に、前
記出力素子を装着させると共に、肢体部分でほゞ囲まれ
た可及的中央部分に、前記温度センス素子を配置させた
ものである。

〔作用〕

すなわち，この発明においては、回路作動に際し、出力
素子の発熱に伴なつて金属ブロック内を流れる熱流，お
よびこゝから放散される熱流は、主体部分側から肢体部
分側へ迅速に流れ、主体部分側に生じた温度情報を、肢
体部分で取り囲まれた温度センス素子に正確に伝達でき
て、この温度センス素子による高精度かつ迅速な温度検
出を可能にする。

〔実施例〕

以下，この発明に係るパワーモジュールなどの温度セン
ス構造の実施例につき、第１図（ａ），（ｂ）および第
２図を参照して詳細に説明する。

第１図（ａ），（ｂ）はこの発明の一実施例を適用した
パワー出力素子に対する温度検出のための具体的な温度
センス構造を示す平面パターン図，および同上Ib-Ib線
部の断面図であり、また、第２図は他の実施例を適用し
た同上温度センサ構造を示す平面パターン図である。こ
れらの第１図（ａ），（ｂ）および第２図に示す各実施
例構造において、前記第３図および第４図（ａ），
（ｂ）に示す従来例構成と同一符号は同一または相当部
分を表わしている。

すなわち，まず、第１図（ａ），（ｂ）に示す一実施例
構造においても、符号10はパワー出力素子（パワーMOS
FET）であり、また、20はこのパワー出力素子10の温度
を検出するための温度センサ（例えば、温度依存性を有
するバイポーラトランジスタ）であり、さらに、30はこ
れらのパワー出力素子10および温度センサ20を実装して
搭載する実装基板であつて、絶縁層30aと良熱伝導性板3
0bおよび所要パターンの金属配線層30cとにより構成さ
れている。

また、符号12は厚さ1mmないし2mm程度のヒートシンク用
の銅板などの良熱伝導性を有する金属ブロックであつ
て、前記パワー出力素子10を実装させるための主体部分
12aと、この主体部分12aから後述する前記温度センサ20
を取り囲むようにして延長された各肢体部分12b,12bと
を有している。

しかして、この第１図（ａ），（ｂ）に示す一実施例構
造の場合，前記したパワー出力素子10に対する温度検出
のための温度センサ20の具体的な配置構造は、次のよう
になされる。

すなわち，前記した実装基板30上にあつて、まず、前記
パワー出力素子10については、選択された一つの金属配
線層30c上に、ヒートシンク用の金属ブロック12を介し
て、その主体部分12aに半田などのろう材で接合させる
ことにより実装させてあり、また、前記温度センサ20に
ついては、前記金属ブロック12の各肢体部分12b,12bで
取り囲まれる可及的中心部に位置された他の金属配線層
30c上に、直接，同様に半田などのろう材で接合させる
ことにより実装させてある。

従つて、この一実施例構造によるパワーモジュールの場
合，回路の作動中，パワー出力素子10の発熱に伴ない、
金属ブロック12内を流れる熱流，およびこゝから放散さ
れる熱流は、同第１図（ａ）に矢印で示すように、この
金属ブロック12が、銅板などの良熱伝導性の材料である
ことゝも相俟つて、その主体部分12a側から各肢体部分1
2b,12b側へ、温度センサ20を取り囲むようにして迅速に
流れ、従来例での各肢体部分12b,12bをもたない構造に
比較して、主体部分12a側に生じた温度情報を、各肢体
部分12b,12bで取り囲まれた温度センサ20へ迅速かつ正
確に伝達できて、この温度センサ20による高精度の温度
検出，つまりは安定した温度センスを可能にするもので
あり、結果的には、このようにパワー出力素子10でのPN
接合の温度状態を正確に把握できるために、同パワー出
力素子10の温度マージンを少なくし得て、その性能を最
大限に活用できると共に、一方では、温度センサ20によ
る温度センスの時間応答性が改善されて、パワー出力素
子10の出力をも時間的に細かく制御し得るのである。

また、第２図は対向して配置される２個のパワー出力素
子10の発熱温度を１個の温度センサ20によつて検出する
ようにした他の実施例を示している。

すなわち，この第２図に示す実施例構成においては、前
記とほゞ同様に、ヒートシンクとしての主体部分12aと
各肢体部分12b,12bとからなる金属ブロック12を、各肢
体部分12b,12bが相対向するようにして用い、これらの
主体部分12aおよび各肢体部分12b,12bによつて取り囲ま
れる可及的中心部に位置して温度センサ20を配置させた
ものである。

従つて、この第２図実施例の場合にも、前記第１図
（ａ），（ｂ）実施例の場合とほゞ同様な作用，効果が
得られるほかに、こゝでは、対向して配置される２個の
パワー出力素子10でのそれぞれの発熱温度を、１個の温
度センサ20によつてバランスよく、しかも比較的良好な
感度で検出することができ、併せて、個々のパワー出力
素子10にそれぞれ温度センサ20を付帯させるものとは異
なり、パワーモジュールのパツケージ自体を比較的小さ
く、かつ回路構成自体をも効果的に簡略化し得るのであ
る。

なお、前記各実施例構成において、モートシンクとして
の金属ブロック12の主体部分12aと各肢体部分12b,12bと
は、必ずしも一連に一体化されている必要はなく、パワ
ー出力素子10の発熱に伴なう熱流を調整するように機能
させるために、所定の間隔を介して島状に配置させるの
も効果的である。

また、前記各実施例では、この発明をパワーモジュール
に実施する場合について述べたが、そのほかにも、通常
のパワー素子，あるいはハイブリットIC,さらにはパワ
ーICなどにも実施できて、同様な作用，効果が得られる
のであり、さらに，温度検出の対象となる出力素子は１
個以上の複数個であつてよく、そしてまた、温度検出の
ための温度センサ素子については、バイポーラトランジ
スタ以外にも、温度依存性を有する任意の素子を用いる
ことができ、かつまた、複数個の温度センス素子を用
い、出力素子の最も温度の高い状態を検出して、その出
力制御を行ない得るのである。

〔発明の効果〕

以上詳述したようにこの発明によれば、作動時に発熱を
伴なう出力素子の温度上昇を、近傍に配置させた温度セ
ンス素子で検出し、その温度情報を同出力素子の制御系
に帰還させて、温度保護を行なわせるようにしたパワー
モジュールなどの装置構成において、主体部分と、この
主体部分から直接的に，または、所要間隔を介して間接
的に延長された肢体部分とからなるヒートシンク用の金
属ブロックを設け、この金属ブロックの主体部分に、出
力素子を装着させると共に、肢体部分でほゞ囲まれた可
及的中央部分に、温度センス素子を配置させたから、回
路装置の作動に際し、出力素子の発熱に伴つて金属ブロ
ック内を流れる熱流，およびこゝから放散される熱流
は、主体部分側から肢体部分側へ迅速に流れ、主体部分
側に生じた温度情報を、肢体部分で取り囲まれた温度セ
ンス素子に正確に伝達できて、この温度センス素子によ
る安定した高精度かつ迅速な温度検出が可能となるもの
で、このように出力素子におけるPN接合の温度状態を正
確に把握できるために、同出力素子の温度マージンを少
なくし得て、その性能を最大限に活用できるほか、一方
では、温度センス素子による温度センスの時間応答性が
効果的に改善されて、出力素子の出力を時間的に細かく
制御でき、しかも複数個，例えば２個の出力素子を対向
して配置させる場合などには、各出力素子でのそれぞれ
の発熱温度を、１個の温度センス素子によつてバランス
よく、比較的良好な感度で再現性よく安定して検出する
ことができ、従来のように個々の出力素子にそれぞれ温
度センス素子を付帯させるものとは異なつて、パワーモ
ジュールなどの装置のパッケージ自体を比較的小さく、
かつ回路構成自体をも十分に簡略化し得るなどの優れた
特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）はこの発明に係るパワーモジュー
ルの温度センス構造の一実施例を適用したパワー出力素
子に対する温度検出のための具体的な温度センス構造を
示す平面パターン図，および同上Ib-Ib線部の断面図、
第２図は他の実施例を適用した同上温度センス構造を示
す平面パターン図であり、また、第３図は従来例でのパ
ワーモジュールを用いる回路装置の一般的な温度保護回
路を示す結線図、第４図（ａ），（ｂ）は同上パワー出
力素子に対する温度検出のための具体的な温度センス構
造を示す平面パターン図，および同上IVb-IVb線部の断
面図である。 10……パワー出力素子（パワーMOS FET）、12……金属
ブロック（ヒートシンク）、12a……同上主体部分、12b
……同上肢体部分、20……温度センサ（バイポーラトラ
ンジスタ）、30……実装基板、30a……絶縁層、30b……
良熱伝導性板、30c……金属配線層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動時に発熱を伴なう出力素子の温度上昇
   を、近傍に配置させた温度センス素子で検出し、その温
   度情報を同出力素子の制御系に帰還させて、温度保護を
   行なわせるようにしたパワーモジュールなどの装置構成
   において、主体部分と、この主体部分から直接的に，ま
   たは、所要間隔を介して間接的に延長された肢体部分と
   からなるヒートシンク用の金属ブロックを設け、この金
   属ブロックの主体部分に、前記出力素子を装着させると
   共に、肢体部分でほゞ囲まれた可及的中央部分に、前記
   温度センス素子を配置させたことを特徴とするパワーモ
   ジュールなどの温度センス構造。