JPH11142254A - インテリジェントパワーモジュール - Google Patents

インテリジェントパワーモジュール

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JPH11142254A
JPH11142254A JP30815497A JP30815497A JPH11142254A JP H11142254 A JPH11142254 A JP H11142254A JP 30815497 A JP30815497 A JP 30815497A JP 30815497 A JP30815497 A JP 30815497A JP H11142254 A JPH11142254 A JP H11142254A
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igbt
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Noriyasu Terasawa
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Abstract

(57)【要約】 【課題】IPMに収納されている負荷電流を流すすべて
のIGBTの過熱保護動作を試験で確認できるようにす
る。 【解決手段】並列接続されたIGBT1とIGBT11
のコレクタ端子2、12からエミッタ端子3、13に向
かって負荷電流を流し、第1、第2定電流回路21、2
2でD1とD2に一定の微小な検出電流を流す。負荷電
流によりIGBT1とIGBT11が温度上昇でD5と
D15の温度も上昇する。温度上昇とともにD5および
D15のオン電圧は低下する。切変え器30の電源端子
40にある電圧を印加すると第1コンパレータの信号が
NAND回路41に伝送され、別の電圧を与えると第2
コンパレータの信号がNAND回路41に伝送されるよ
うにする。このNAND回路41からの信号でIGBT
1、2を遮断する。電源端子の印加電圧を選定すること
で、個別にIGBTの過熱保護動作の確認試験を行うこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】複数個並列接続されたIGB
Tなどの半導体チップと各種保護回路および検出回路が
同一の樹脂ケースに収納されているインテリジェントパ
ワーモジュール(以下、IPMと称す)に関する。
【0002】
【従来の技術】インバータやチョッパーなどの電力変換
装置に使用される半導体装置にIPMがある。このIP
Mは複数個のIGBTチップなどの半導体チップと各種
保護回路や検出回路が同一の樹脂ケースに収納されてい
る。大きな電流を通電できるIPMはこれらのIGBT
チップなどの半導体チップが複数個並列接続される。以
下、半導体チップとしてIGBTチップを例として説明
する。これらのIPMを破壊なしに安全に電力変換装置
に適用できるように、各種試験をして、基準を満たすも
ののみ顧客に提供される。その試験の中で、IGBTチ
ップに通電して異常にIGBTチップが温度上昇しない
かチェックする重要な試験がある。この試験はIGBT
チップ上に形成された温度検出用のダイオードに検出電
流を流し、検出電流で生じたダイオードのオン電圧から
温度を検出する。オン電圧から温度が検出できるのは、
温度が高くなると、ダイオードのオン電圧が低下すると
いう温度依存性をもっているためである。
【0003】図5は従来のIPMの要部回路図である。
ここでは温度検出用のダイオードをIGBTチップ上に
集積した半導体チップとして、IGBTチップを例に挙
げ、このIGBTチップが2個収納されているIPM1
00を点線で示した。このIGBT1、11および温度
検出用のダイオード(以下、Dと称す)5、15を集積
したIGBTチップと論理回路などの各種回路が樹脂ケ
ース内に収納されている。ドライブ電源70に接続され
た定電流回路21を介してD5のアノード端子6が接続
されている。また定電流回路21がコンパレータ31の
プラス端子に接続され、マイナス端子は基準電圧35に
接続されている。コンパレータ31の出力端子34はN
AND回路41の入力端子42に接続され、また外部信
号はNOT回路61を介してNAND回路41の入力端
子43に接続される。NAND回路41の出力端子44
はNOT回路51の入力端子52に接続され、出力端子
53はIGBT1のゲート端子4に接続される。またゲ
ート端子4はIGBT11のゲート端子14と接続され
る。D5およびD15のカソード端子7、17はアース
73に接続される。
【0004】つぎに、この回路の過熱保護動作を説明す
る。並列接続されたIGBT1とIGBT11のコレク
タ端子2、12からエミッタ端子3、13に向かって負
荷電流を流す。また定電流回路21からD5のみに一定
の微小な検出電流を流す。負荷電流でIGBT1が温度
上昇すると当然D5の温度も上昇する。IGBT1上に
D5が形成されているため、IGBT1の温度はD5の
温度とほぼ一致する。D1の温度上昇とともにD1のオ
ン電圧は低下する。IGBT1が異常過熱状態となる
と、D5のオン電圧がコンパレータ31の基準電圧まで
低下し、コンパレータ31の出力がHレベルからLレベ
ルに移行する。このコンパレータ31からLレベルの信
号がNAND回路41の入力端子42に与えられ、ゲー
ト信号が外部端子80からNOT回路61を介してNA
ND回路41の入力端子43に与えられる。入力端子4
2がLレベルのため、ゲート信号がHレベル、Lレベル
に係わらず、出力端子44はHレベルとなる。出力端子
44がHレベルになると、NOT回路51の出力はLレ
ベルとなり、IGBT1、11のゲート端子4、14へ
与えられるゲート電圧が零となるため、IGBT1とI
GBT11は負荷電流の通電を停止する。
【0005】また、IGBT1が正常状態ではコンパレ
ータ31の出力がHレベルとなり、NAND回路41お
よびNOT回路51を介してゲート端子4、14にオン
・オフのゲート信号が与えられ、IGBT1、11は正
常動作する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法では
2個のIGBTのうち一個を代表させて過熱保護動作の
確認試験を実施するために、もう一方のIGBTの過熱
保護動作の確認ができない。そのため、このIPMをイ
ンバータやチャッパーなどの電力変換装置に搭載した場
合、無試験側のIGBTが異常温度上昇しても過熱保護
動作せずに破壊する場合が生ずる。
【0007】この発明の目的は、前記の課題を解決し
て、すべてのIGBTの過熱保護動作を確認できるイン
テリジェントパワーモジュールを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、半導体素子と該半導体素子の温度検出用のダイオ
ードが集積された半導体チップが複数個収納されている
インテリジェントパワーモジュールにおいて、各温度検
出用のダイオードのアノード端子が個別のコンパレータ
のプラス端子にそれぞれ接続され、該個別のコンパレー
タのマイナス端子が共通の基準電圧に接続され、個別の
コンパレータの出力端子が切換え器を介してNAND回
路の一方の入力端子に接続され、NAND回路の他方の
入力端子に外部信号が入力され、前記切換え器が外部電
源と接続する電源端子を有し、前記NAND回路の出力
端子がNOT回路の入力端子に接続され、NOT回路の
出力端子が複数の半導体素子のゲート端子に共通に接続
され、前記温度検出用のダイオードのカソード端子がア
ース端子に接続される構成とする。
【0009】前記切換え器が専用信号により複数のコン
パレータの出力信号から一つのコンパレータの出力信号
を選定できるようにするとよい。またこの切換え器が少
なくとも複数の分圧抵抗と、該分圧抵抗とゲートが個別
に接続するトランジスタと、一部のトランジスタのコレ
クタと接続する論理回路(OR回路およびAND回路な
ど)と、ダイオードとから構成されるとよい。
【0010】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の第1実施例のI
GBTチップが内蔵されているIPMの要部回路図であ
る。ここでは2個のIGBTチップが並列接続されたI
PM100を示した。また、IGBTチップにはIGB
TとこのIGBTの温度検出用のダイオードとが集積さ
れている。IPM100にはIGBT1、IGBT1
1、IGBT1の温度検出用のダイオード(以下、Dと
略す)5およびIGBT11の温度検出用のダイオード
(D)15の他にコンパレータ31、36、NAND回
路41、NOT回路51およびNOT回路61などが同
一の樹脂ケースに収納されている。ドライブ電源70に
接続された第1定電流回路21と第2定電流回路22に
D1とD2のアノード端子6、16がそれぞれ接続さ
れ、D1とD2のカソード端子7、17はアース73に
接続されている。また第1定電流回路21と第2定電流
回路22が第1コンパレータ31と第2コンパレータ3
6のプラス端子とそれぞれ接続され、マイナス端子は共
通の基準電圧35と接続されている。第1コンパレータ
31、第2コンパレータ36の出力34、39は切換え
器30に入力される。また切変え器30はドライブ電源
70の高電位端子71およびアース73(このアースは
当然アース端子72と接続する)に接続される。切換え
器30の出力端子50はNAND回路41の入力端子4
2に接続され、また外部信号端子80はNOT回路61
の入力端子62と接続され、NOT回路の出力端子63
はNAND回路41の入力端子43と接続される。NA
ND回路41の出力端子44はNOT回路51の入力端
子52と接続され、NOT回路51の出力端子53はI
GBT1、11のゲート端子4、14と接続される。ま
たD5およびD15のカソード端子7、17はアース7
3に接続される。IGBT1とIGBT11のコレクタ
端子2、12およびエミッタ端子3、13同志はそれぞ
れ接続され、IGBT1とIGBT11は並列接続され
ている。
【0011】この回路の過熱保護動作についてつぎに説
明する。並列接続されたIGBT1とIGBT11のコ
レクタ端子2、12からエミッタ端子3、13に向かっ
て負荷電流を流す。またドライブ電源70の電圧を実機
搭載時の電圧(15Vから17V)より高い電圧(1
7.5Vから20V)にして、ドライブ電源70に接続
された第1、第2定電流回路21、22を介してD1と
D2に一定の微小な検出電流を流す。負荷電流によりI
GBT1とIGBT11が温度上昇すると当然D5とD
15の温度も上昇する。これはIGBT1とD5および
IGBT11とD15はそれぞれIGBTチップ(Q1
、Q2 )10a、10bに集積されているためであ
り、IGBT1の温度はD1の温度と、またIGBT1
1の温度はD15温度とほぼ同一である。温度上昇とと
もにD5およびD15のオン電圧は低下する。基準電圧
35にD5のオン電圧が達した時点で第1コンパレータ
31の出力信号が切変え器30の入力端子34に送ら
れ、また基準電圧35にD15のオン電圧が達した時点
で第2コンパレータ36の出力信号が切換え器30の入
力端子39に送られる。これらのコンパレータ31、3
6の出力信号はオン電圧が基準電圧に達した時点でHレ
ベルからLレベルに切り替わる。このコンパレータのL
レベルの信号が切換え器30を通過して、出力信号にな
ると、この切換え器30のLレベルの出力信号と外部信
号端子80からNOT回路61を介して与えられるゲー
ト信号(オン・オフ信号:H/L信号)とがNAND回
路の入力端子42、43に入力される。NAND回路4
1の出力信号は、入力端子42がLレベルのため、ゲー
ト信号のHレベルまたはLレベルに関係なく、Hレベル
となる。従って、NOT回路51を介してIGBT1、
11のゲート端子4、14に送られる信号はLレベルと
なり、つまり、ゲート端子4、14へ与えられるゲート
電圧は0Vであり、IGBT1、11の負荷電流は停止
する。
【0012】この切換え器30の電源端子40に与えら
れる電圧が19Vから20Vの電圧のとき、第1コンパ
レータ31からの信号が切換え器30を通過しNAND
回路41に伝送されるようにし、またその中間の17.
5Vから18.5V与えたときは、第2コンパレータ3
6からの信号がNAND回路41に伝送されるように切
変え器30を構成する。例えば19.5Vを与えたとす
ると、第1コンパレータ31に接続されているIGBT
1の温度を捉えて、この温度が設定温度に達すると(D
5のオン電圧が基準電圧35に達すると)IGBT1と
IGBT11がオフ状態となる。また18V与えたとす
ると今度はIGBT11の温度を捉えてIGBT1とI
GBT11がオフする。このようにして、IGBT1も
IGBT11も正常に過熱保護動作することが確認でき
る。また、実機に搭載した場合には、ドライブ電源70
の電圧をIPMを動作させる電圧である15Vから17
Vにする。その場合は第1コンパレータ31の信号も第
2コンパレータ36の信号もNAND回路41に伝送さ
れるようにする。従って、温度の高いIGBTの方に接
続されたコンパレータの信号でIPMは過熱保護動作を
することになる。このように過熱保護動作の確認試験を
全てのIGBTに対して実施できるために、電力変換装
置に搭載した場合は、IPMに収納されているすべての
IGBTが確実に過熱保護動作を確認されているため、
電力変換装置の信頼性を大幅に向上させることができ
る。尚、図1ではIGBTチップを2個並列接続した場
合を説明したが、さらにIGBTチップの個数が増えた
場合でも、同様の方法で各IGBTチップの過熱保護機
能を確実に行われているかどうかを試験できる。
【0013】図2は図1の切換え器の一例の要部回路図
である。電源端子40と抵抗114、116および抵抗
106、108、110、112とが接続する。抵抗1
14とコンパレータの出力端子34はOR回路116の
入力に接続され、抵抗115とコンパレータ36の出力
端子39はOR回路117の入力に接続される。OR回
路116、117の出力はAND回路118の入力に接
続される。AND回路118の出力は切換え器30の出
力端子50に接続される。抵抗106、108、11
0、112はトランジスタ101、102、103、1
04のゲートとそれぞれ接続され、さらに、抵抗10
7、109、111、113と接続される。ダイオード
105のカソードはトランジスタ101のゲートおよび
トランジスタ102のコレクタと接続され、アノードは
トランジスタ104のゲートと接続される。トランジス
タ101、102、103、104のエミッタと抵抗1
07、109、111、113の他端はアース73と接
続される。
【0014】この切換え器30の動作を説明する。入力
端子40の電圧をIPMの動作電圧である15Vから1
7Vでは、トランジスタ102、104がオフ状態とな
り、17.5Vから18.5Vではトランジスタ102
がオフ状態、トランジスタ104がオン状態となり、1
9Vから20Vではトランジスタ102がオン状態、ト
ランジスタ104がオフ状態となるように抵抗108、
112の抵抗値を抵抗109、113の抵抗値に比べ大
きく設定する。トランジスタをオフ状態にするには、ト
ランジスタのエミッタ・ベース間の電圧を0.6V以下
となるように前記抵抗の抵抗値を選定する。
【0015】IPMの動作電圧である15Vから17V
ではトランジスタ102、104ともオフ状態であるの
で、トランジスタ101、103はオン状態となる。丁
度トランジスタ102、104とトランジスタ101、
103とはオン、オフが逆になる。トランジスタ10
1、103がオン状態ではOR回路116、117の入
力がLレベルにセットされることになるため、コンパレ
ータ34、36からの入力信号のレベルがそのまま、O
R回路116、117の出力の信号レベルとなる。この
信号レベルがAND回路118に入力されることにな
る。今、異常に過熱されたIGBT1の温度検出用のD
5と接続する第1コンパレータ31の出力信号がLレベ
ルとなったとし、正常動作しているIGBT11の温度
検出用のD15に接続する第2コンパレータ36はHレ
ベルの状態にあり、OR回路116の出力はLレベルで
OR回路117の出力はHレベルとなる。これらの出力
がAND回路118に入力されるとAND回路118の
出力はLレベルとなり、この信号が出力端子50から出
力されて、前記のようにIGBT1、11はオフ状態と
なる。
【0016】一方、両方のIGBTが正常動作の場合
は、OR回路116、117の出力はHレベルとなり、
AND回路118の出力もHレベルとなり、IGBT
1、11は正常動作状態を維持する。つぎに、電源端子
40の電圧を17.5Vから18.5Vの間に設定し
て、トランジスタ104をオン状態、トランジスタ10
2をオフ状態とすると、トランジスタ103はオフ状
態、トランジスタ101はオン状態となる。つまりOR
回路116の入力はHレベルで、OR回路117の入力
はLレベルとなる。従って、OR回路116の出力は第
1コンパレータ31の信号レベルに関係なく常にHレベ
ルであり、一方OR回路117の出力は第2コンパレー
タ36の信号レベルに合わせて、Hレベル、Lレベルと
なる。そのため、IGBT11が異常過熱状態となった
場合は第2コンパレータ36の出力はLレベルとなり、
従って、AND回路118の出力がLレベルとなって、
IGBT1、11はオフ状態となる。このことから、電
源電圧17.5Vから18.5Vの間に設定すると第2
コンパレータ36に接続するIGBT11の異常過熱状
態を試験することができる。
【0017】一方、電源端子40の電圧を19Vから2
0Vに設定すると、第1コンパレータ31に接続するI
GBT1の試験をすることができる。前記のように電源
端子40に与える電圧を変えるだけで、個別にIGBT
の異常過熱試験を実施することができる。図3はこの発
明の第2実施例のIGBTが内蔵されているIPMの要
部回路図である。図1では切換え器30の電源端子40
に与える電圧で第1コンパレータ31の信号をNAND
回路41に伝送するか、第2コンパレータ36の信号を
NAND回路41に伝送するかを選択するが、この図3
では、切変え器に選択のための専用信号端子90を設け
てこの専用信号端子90に与える電圧レベルで、前記の
選択を行わせるようにした点である。
【0018】図4は図3の切換え器の一例の要部回路図
を示す。この切換え器30は、電源端子40の電圧はI
PM動作電圧(15Vから17V)に固定し、外部から
専用信号供給器120を専用信号端子90に接続して、
この切換え器のスイッチ122をオンまたはオフするこ
とで、第1コンパレータ31または第2コンパレータ3
6の出力信号で動作させるかを決める。この外部信号供
給器40を取り外せば両方のコンパレータ31、36で
動作するようにする。この切換え器30の構成は図2と
ほぼ同じで抵抗108、112が専用信号端子90に接
続している点が異なる。
【0019】この切変え器30の動作を説明する。顧客
でこのIPMを使用する場合は専用信号端子90には何
も接続しない。その状態ではトランジスタ102、10
4ともオフ状態となり、従って、トランジスタ101、
103はオン状態となる。その状態では第1コンパレー
タ31、第2コンパレータ36とも有効に動作し、早く
異常過熱したIGBTチップの信号でIGBT1、IG
BT11ともオフ状態となる。
【0020】つぎにスイッチ122をオフ状態にした場
合、トランジスタ102がオフ状態となり、トランジス
タ104がオン状態になり、スイッチ122をオン状態
にした場合にトランジスタ102がオン状態、トランジ
スタ104がオフ状態になるよう抵抗121、抵抗10
8、109、抵抗112、113を設定する。さらに説
明すると、スイッチ122をオン状態にすると、専用信
号端子90の電位が上がり、トランジスタ102がオン
状態となる。トランジスタ102がオン状態となるこ
と、ダイオード105と接続しているトランジスタ10
4のゲート電位が低下して、トランジスタ104はオフ
状態となる。尚、トランジスタ101とトランジスタ1
02、トランジスタ103とトランジスタ104はオン
・オフ状態が逆となる。さて、スイッチ122をオフ状
態にすると、トランジスタ101はオン状態で、トラン
ジスタ103はオフ状態となるため、第2コンパレータ
34の出力信号で過熱保護動作し、一方、スイッチ12
2をオン状態とすると第1コンパレータ31の出力信号
で過熱保護動作するようにできる。
【0021】前記のように、専用信号端子90に外部か
ら専用信号供給器120を接続することで、個別にIG
BTの過熱保護動作の確認試験を実施することができ
る。
【0022】
【発明の効果】この発明によれば、複数のIGBTチッ
プが収納されているIPMの過熱保護動作の確認試験に
おいて、IPM内に切換え器を設けることで、個々のI
GBTチップの過熱保護動作を確認することできる。個
々のIGBTの過熱保護動作が確実に実行されることで
IPMの信頼性が著しく向上し、さらに、このIPMを
搭載した電力変換装置の信頼性も大幅に向上させること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例のIGBTが内蔵されて
いるIPMの要部回路図
【図2】図1の切換え器の要部回路図
【図3】この発明の第2実施例のIGBTが内蔵されて
いるIPMの要部回路図
【図4】図2の切換え器の要部回路図
【図5】従来のIPMの要部回路図
【符号の説明】
1 IGBT 2 コレクタ端子 3 エミッタ端子 4 ゲート端子 5 温度検出用のダイオード(D) 6 アノード端子 7 カソード端子 10a チップ 10b チップ 11 IGBT 12 コレクタ端子 13 エミッタ端子 14 ゲート端子 15 温度検出用のダイオード(D) 16 アノード端子 17 カソード端子 21 第1定電流回路 22 第2定電流回路 30 切換え器 31 第1コンパレータ 32 入力端子 33 入力端子 34 出力端子 35 基準電圧 36 第2コンパレータ 37 入力端子 38 入力端子 39 出力端子 40 電源端子 41 NAND回路 42 入力端子 43 入力端子 44 出力端子 50 出力端子 51 NOT回路 52 入力端子 53 出力端子 61 NOT回路 62 入力端子 63 出力端子 70 ドライブ電源 71 高電位端子 72 アース端子 73 アース 90 専用信号端子 100 IPM 101〜104 トランジスタ 105 ダイオード 106〜115 抵抗 116、117 OR回路 118 AND回路 120 専用信号供給器 121 抵抗 122 スイッチ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子と該半導体素子の温度検出用の
    ダイオードとが集積された半導体チップが複数個収納さ
    れているインテリジェントパワーモジュールにおいて、
    各温度検出用のダイオードのアノード端子が個別のコン
    パレータのプラス端子にそれぞれ接続され、該個別のコ
    ンパレータのマイナス端子が共通の基準電圧に接続さ
    れ、個別のコンパレータの出力端子が切換え器を介して
    NAND回路の一方の入力端子に接続され、NAND回
    路の他方の入力端子に外部信号が入力され、前記切換え
    器が外部電源と接続する電源端子を有し、前記NAND
    回路の出力端子がNOT回路の入力端子に接続され、N
    OT回路の出力端子が複数の半導体素子のゲート端子に
    共通に接続され、前記温度検出用のダイオードのカソー
    ド端子がアース端子に接続されていることを特徴とする
    インテリジェントパワーモジュール。
  2. 【請求項2】前記切換え器の電源端子に与える電圧によ
    りNAND回路に接続するコンパレータを選定すること
    を特徴とする請求項1記載のインテリジェントパワーモ
    ジュール。
  3. 【請求項3】前記切換え器が専用信号により複数のコン
    パレータの出力信号から一つのコンパレータの出力信号
    を選定することを特徴とする請求項1記載のインテリジ
    ェントパワーモジュール。
  4. 【請求項4】前記切換え器が少なくとも複数の分圧抵抗
    と、該分圧抵抗とゲートが個別に接続するトランジスタ
    と、一部のトランジスタのコレクタと接続する論理回路
    と、ダイオードとから構成されることを特徴とする請求
    項2または3記載のインテリジェントパワーモジュー
    ル。
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