JPWO2011086685A1 - 電圧検知装置 - Google Patents

Abstract

電圧検知装置１００は、ＩＧＢＴ１１のコレクタに接続された放熱板１３と、放熱板１３との間でコンデンサ２２を形成する検知用リードフレーム２１と、コンデンサ２２に蓄積された電荷の変化量に基づいてＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知するコレクタ電圧検知回路３０と、を備えている。この電圧検知装置１００によれば、高電圧の状況下においても装置を大型化することなく、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知することができる。

Description

本発明は、パワー半導体素子の端子電圧を検知するための電圧検知装置に関する。

従来、パワー半導体素子を用いた装置として、例えば、特許文献１に記載された半導体電力変換装置が知られている。この半導体電力変換装置は、パワー半導体素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と称する）と、ＩＧＢＴのコレクタ電圧を分圧するための分圧抵抗体と、この分圧抵抗体に並列に接続されたコンデンサと、を有している。

特開２００２−４４９３４号公報

上述したような従来の半導体電力変換装置においては、分圧抵抗体及びこの分圧抵抗体に並列に接続されたコンデンサを用いて、ＩＧＢＴのコレクタ電圧を検知することができる。近年では、このような半導体電力変換装置を、直流６００Ｖ〜９００Ｖ程度の高電圧の状況下で用いることが要請されている。

ところが、上述した従来の半導体電力変換装置を上記のような高電圧の状況下で用いるためには、コレクタ電圧を分圧するための分圧抵抗体を、ワット数の高い大型のものとするか、或いは、多数の抵抗体を直列に接続したものとする必要があり、何れにしても当該装置の大型化が避けられない。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、高電圧の状況下においても装置を大型化することなく、パワー半導体素子の端子電圧を検知可能な電圧検知装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電圧検知装置は、パワー半導体素子の第１の端子と第２の端子との間の電圧を検知するための電圧検知装置であって、パワー半導体素子の第１の端子に接続された電極板と、電極板との間で第１のコンデンサを形成するように電極板に近接して配置された検知用電極と、第１のコンデンサに蓄積された電荷の変化に基づいてパワー半導体素子の第１の端子と第２の端子との間の電圧を検知する電圧検知回路と、を備えることを特徴とする。

この電圧検知装置は、パワー半導体素子の第１の端子に接続された電極板に近接して検知用電極を配置し、電極板と検知用電極との間に第１のコンデンサを形成する。そして、この第１のコンデンサに蓄積された電荷の変化に基づいてパワー半導体素子の第１の端子と第２の端子との間の電圧（以下、端子電圧と称する）を検知する。このため、端子電圧を分圧するための抵抗体を設けることなく、端子電圧を検知することができる。よって、高電圧の状況下においても装置の大型化を避けることができる。

また、電圧検知回路は、反転入力端子が第１のコンデンサに接続されると共に非反転入力端子が所定の電圧源に接続されたオペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に接続された第２のコンデンサと、を有する態様であってもよい。この場合、第１のコンデンサに蓄積された電荷の変化量が、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に接続された第２のコンデンサに移動する。その結果、第１のコンデンサに蓄積された電荷の変化がオペアンプの出力電圧に反映されるので、オペアンプの出力電圧により、パワー半導体素子の端子電圧を検知することができる。

また、電圧検知回路は、第１のコンデンサに接続された第３のコンデンサと、第１のコンデンサと第３のコンデンサとの間から分岐して第３のコンデンサに並列に接続されたダイオードと、ダイオードの下流側においてダイオードのカソードに直列に接続された第４のコンデンサと、を有する態様であってもよい。この場合、端子電圧の上昇時には、第３のコンデンサと第４のコンデンサが並列となり、端子電圧が第１のコンデンサと第３のコンデンサと第４のコンデンサとで分圧されることとなる。一方、端子電圧の下降時には、第４のコンデンサの上流に設けられたダイオードにより、第４のコンデンサの電荷が保持される。したがって、端子電圧の下降時には、端子電圧が第１のコンデンサと第３のコンデンサとによって分圧されることとなるので、端子電圧の上昇時に比べて、第１のコンデンサとの分圧比が小さくなる。その結果、端子電圧の変化を正確に検知することができる。

本発明によれば、高電圧の状況下においても装置を大型化することなく、パワー半導体素子の端子電圧を検知可能な電圧検知装置が提供できる。

本実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す図である。 電圧検知装置の回路構成を示す図である。 電圧検知装置の回路構成を示す図である。 図３に示された電圧検知装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る電圧検知装置を用いたパワーモジュールの構成を示す図である。図１（ａ）は、このパワーモジュールの概略的な平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿っての概略断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿っての概略断面図である。なお、図１（ａ）においては、図１（ｂ），（ｃ）に示されるモールド樹脂Ｍが省略されている。

パワーモジュール１０は、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ１１を備えている。ＩＧＢＴ１１は、裏面１１ａの少なくとも一部がコレクタ（第１の端子）となっている。ＩＧＢＴ１１の裏面１１ａには、半田１２により放熱板（電極板）１３が取り付けられている。放熱板１３は、導電性を有する材料より構成されており、半田１２を介してＩＧＢＴ１１のコレクタと電気的に接続されている。

放熱板１３には、半田１４によりパワーラインリードフレーム１５が取り付けられている。したがって、パワーラインリードフレーム１５は、半田１４、放熱板１３及び半田１２を介してＩＧＢＴ１１のコレクタに電気的に接続されている。パワーラインリードフレーム１５は、直流高電圧に対する耐圧設計のために幅広の平板状に形成されている。

ＩＧＢＴ１１は、上面１１ｂの少なくとも一部がエミッタ（第２の端子）となっている。このＩＧＢＴ１１の上面１１ｂには、半田１６によりパワーラインリードフレーム１７が取り付けられている。パワーラインリードフレーム１７は、半田１６を介してＩＧＢＴ１１のエミッタと電気的に接続されている。パワーラインリードフレーム１７は、直流高電圧に対する耐圧設計のために幅広の平板状に形成されている。

ＩＧＢＴ１１の上面１１ｂには、ＩＧＢＴ１１のゲートに制御信号を入力するためのゲート接続領域１８が複数（ここでは４つ）形成されている。ゲート接続領域１８の各々には、ワイヤ１９を介して制御信号ラインリードフレーム２０が接続されている。したがって、制御信号ラインリードフレーム２０の各々は、ワイヤ１９及びゲート接続領域１８を介してＩＧＢＴ１１のゲートに電気的に接続されている。

このように、パワーモジュール１０は、パワーラインリードフレーム１５，１７を用いてＩＧＢＴ１１のコレクタ−エミッタ間に電圧を印加可能であると共に、制御信号ラインリードフレーム２０を用いてＩＧＢＴ１１のゲート電位を制御してＩＧＢＴ１１をＯＮ・ＯＦＦできる。このパワーモジュール１０は、例えば、複数組み合わせてインバータ回路を構成し、半導体電力変換装置として用いることができる。なお、パワーモジュール１０は、ＩＧＢＴ１１や放熱板１３等を覆うように形成されたモールド樹脂Ｍを備えている。

ここで、パワーモジュール１０は、検知用リードフレーム２１をさらに備えている。検知用リードフレーム２１は、電極部分（検知用電極）２１ａと接続部分２１ｂとから構成されている。電極部分２１ａは、略矩形平板形状を成しており、放熱板１３に近接して配置されている。したがって、電極部分２１ａと放熱板１３とは、ＩＧＢＴ１１のコレクタに接続された平行平板コンデンサ（第１のコンデンサ）２２を形成している。このコンデンサ２２は、ＩＧＢＴ１１のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧（以下、コレクタ電圧と称する）に応じた電荷量を蓄積する。なお、放熱板１３と検知用リードフレーム２１の電極部分２１ａとの間には、モールド樹脂Mが配置されている。

検知用リードフレーム２１の接続部分２１ｂは、電極部分２１ａの一端部から延びており、電極部分２１ａと一体に形成されている。接続部分２１ｂは、コンデンサ２２を後述するコレクタ電圧検知回路に接続するために用いられる。放熱板１３、検知用リードフレーム２１及びコレクタ電圧検知回路は、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知するための電圧検知装置を構成している。

図２は、本実施形態に係る電圧検知装置の回路構成を概略的に示す図である。図２（ａ）に示されるように、電圧検知装置１００は、コンデンサ２２（放熱板１３及び検知用リードフレーム２１の電極部分２１ａ）とコレクタ電圧検知回路３０とを備えている。コレクタ電圧検知回路３０は、コンデンサ２２に接続されている。コレクタ電圧検知回路３０は、コンデンサ２２に蓄積された電荷の変化に基づいて、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知するための回路である。コレクタ電圧検知回路３０は、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧の検知結果を示す検知電圧信号Ｓ１を、後述するゲート駆動・制御回路４０へ出力する。

ゲート駆動・制御回路４０は、ＩＧＢＴ１１のゲートＧに接続されている。ゲート駆動・制御回路４０は、検知電圧信号Ｓ１をコレクタ電圧検知回路３０から入力すると共に、ＩＧＢＴ１１のゲート電位を制御するための制御信号Ｓ２を外部から入力する。そして、ゲート駆動・制御回路４０は、検知電圧信号Ｓ１と制御信号Ｓ２とに基づいて、ＩＧＢＴ１１のゲート電位を制御してＩＧＢＴ１１をＯＮ・ＯＦＦする。

続いて、コレクタ電圧検知回路３０の詳細について説明する。図２（ｂ）は、コレクタ電圧検知回路３０の構成を示す回路図である。コレクタ電圧検知回路３０は、図２（ｂ）に示されるように、オペアンプ３１、電圧源３２、コンデンサ（第２のコンデンサ）３３及びスイッチ３４を有している。オペアンプ３１の反転入力端子はコンデンサ２２に接続されており、非反転入力端子は電圧源３２に接続されている。コンデンサ３３は、オペアンプ３１の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチ３４は、コンデンサ３３に対して並列に接続されている。なお、ＩＧＢＴ１１のエミッタＥは、電圧源３２と共に接地されている。

次に、電圧検知装置１００の作用・効果について説明する。ＩＧＢＴ１１をＯＮ・ＯＦＦする前に、スイッチ３４が一旦ＯＮにされる。これにより、コンデンサ３３に蓄積された電荷が一旦リセットされる。そして、スイッチ３４がＯＦＦにされる。この時、コンデンサ２２のコレクタＣに接続されていない側の電圧は、オペアンプ３１の作用により、電圧源３２の電圧Ｖｒｅｆに固定（仮想接地）されている。このため、この後にＩＧＢＴ１１がＯＮまたはＯＦＦされてＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧が変化すると、コンデンサ２２に蓄積された電荷に変化が生じる。この電荷の変化量は、コンデンサ３３に移動してオペアンプ３１の出力電圧に反映される。したがって、電圧検知装置１００によれば、オペアンプ３１の出力電圧に基づいてＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知することができる。

（第２実施形態）
続いて、図３を参照して、電圧検知装置の第２実施形態について説明する。この電圧検知装置も、第１実施形態に係る電圧検知装置１００と同様に、パワーモジュール１０に適用される。電圧検知装置２００は、図３に示されように、コンデンサ２２（放熱板１３及び検知用リードフレーム２１の電極部分２１ａ）とコレクタ電圧検知回路５０とを備えている。コレクタ電圧検知回路５０は、コレクタ電圧検知回路３０と同様に、コンデンサ２２に蓄積された電荷の変化に基づいて、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知するための回路である。

コレクタ電圧検知回路５０は、コンデンサ（第３のコンデンサ）５１、スイッチ５２、ダイオード５３、コンデンサ（第４のコンデンサ）５４及びスイッチ５５を有している。

コンデンサ５１は、コンデンサ２２とグランドとの間に接続されている。ダイオード５３は、コンデンサ２２とコンデンサ５１との間から分岐してコンデンサ５１に並列に接続されている。コンデンサ５４は、ダイオード５３の下流側においてダイオード５３のカソードに直列に接続されている。スイッチ５２は、コンデンサ２２とコンデンサ５１との間から分岐してコンデンサ５１に並列に接続されている。スイッチ５５は、ダイオード５３とコンデンサ５４との間から分岐してコンデンサ５４に並列に接続されている。

次に、電圧検知装置２００の作用・効果について説明する。なお、以下の説明においては、図３に加えて図４を参照する。図４は、ＩＧＢＴ１１のスイッチングに伴う電圧の変化を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、コレクタ電圧を示している。図４（ｂ）の破線は分圧点電圧Ｖ１を示しており、実線は分圧点電圧Ｖ２を示している。また、図４（ｃ）は、ＩＧＢＴ１１のスイッチングのタイミングを示している。さらに、図４（ｄ）は、比較例の電圧検知装置における分圧点電圧を示している。この比較例の電圧検知装置は、スイッチ５２，５５及びダイオード５３を備えていない点で、電圧検知装置２００と異なる。

まず、スイッチ５２，５４がＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦの順に操作される。これにより、コンデンサ５１，５４に蓄積された電荷がリセットされる。その後、ＩＧＢＴ１１がＯＦＦされると、コレクタ電圧が上昇する。この時、システム電圧をＶｈとし、サージ電圧をＶｓとすると、コレクタ電圧はＶｈ＋Ｖｓまで上昇する。

そして、コレクタ電圧がＶｈ＋Ｖｓまで上昇したことに伴って、分圧点電圧Ｖ１は、Ｃ１・（Ｖｈ＋Ｖｓ）／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）まで上昇する。ここで、Ｃ１、Ｃ２及びＣ３は、それぞれ、コンデンサ２２、コンデンサ５１及びコンデンサ５４の容量値である。また、ダイオード５３による電圧効果は考慮していない。

その後、コレクタ電圧は、システム電圧Ｖｈまで低下して安定する。コレクタ電圧の低下に伴って、分圧点電圧Ｖ１も変化（低下）する。この時の分圧点電圧Ｖ１の変化量△Ｖ１は、ダイオード５３の効果によりコンデンサ５４の電荷が保存されるため、−Ｃ１・Ｖｓ／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

一方で、図４（ｄ）に示される比較例の電圧検知装置は、ダイオード５３を備えていないので、この比較例における分圧点電圧の変化量は、−Ｃ１・Ｖｓ／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）となる。

このように、本実施形態に係る電圧検知装置２００によれば、コレクタ電圧の上昇時には、コンデンサ５１とコンデンサ５４とが並列となり、コレクタ電圧がコンデンサ２２とコンデンサ５１とコンデンサ５４とで分圧されることとなる。また、コレクタ電圧の下降時には、コンデンサ５４の上流に設けられたダイオード５３により、コンデンサ５４の電荷が保持される。したがって、コレクタ電圧の下降時には、コレクタ電圧がコンデンサ２２とコンデンサ５１とによって分圧されることとなるので、コレクタ電圧の上昇時に比べて、コンデンサ２２との分圧比が小さくなる。このため、ダイオード５３を備えていない比較例の電圧検知装置に比べて、分圧点電圧Ｖ１の変化量△Ｖ１が大きくなる。その結果、Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を適当な値に設定することにより、分圧点電圧Ｖ１の電圧変化範囲を所望の範囲内に収めつつ、サージ電圧Ｖｓを分圧点電圧Ｖ１の電圧変化として大きく検出することができる。よって、コレクタ電圧の変化（サージ電圧Ｖｓ）を正確に検知することができる。

以上説明したように、第１実施形態に係る電圧検知装置１００及び第２実施形態に係る電圧検知装置２００によれば、コンデンサ２２に蓄積された電荷の変化に基づいてＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧を検知することができる。このため、コレクタ電圧を分圧するための抵抗体を設けることなく、コレクタ電圧を検知することができる。よって、高電圧の状況下においても装置の大型化を避けることができる。

また、第１実施形態に係る電圧検知装置１００及び第２実施形態に係る電圧検知装置２００は、パワーモジュール１０の放熱板１３を利用して形成されたコンデンサ２２を用いるので、コレクタ電圧を検知するためのコンデンサを別途設ける必要がない。

なお、上記の実施形態においては、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを例示したが、これに限らず、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）としてもよい。

高電圧の状況下においても装置を大型化することなく、パワー半導体素子の端子電圧を検知可能な電圧検知装置が提供できる。

１１…ＩＧＢＴ、１３…放熱板、２１…検知用リードフレーム、２１ａ…電極部分、２２，３３，５１，５４…コンデンサ、３０，５０…コレクタ電圧検知回路、３１…オペアンプ、３２…電圧源、５３…ダイオード、１００，２００…電圧検知装置。

Claims (3)

1. パワー半導体素子の第１の端子と第２の端子との間の電圧を検知するための電圧検知装置であって、
   前記パワー半導体素子の前記第１の端子に接続された電極板と、
   前記電極板との間で第１のコンデンサを形成するように前記電極板に近接して配置された検知用電極と、
   前記第１のコンデンサに蓄積された電荷の変化に基づいて前記パワー半導体素子の前記第１の端子と前記第２の端子との間の電圧を検知する電圧検知回路と、
   を備えることを特徴とする電圧検知装置。
2. 前記電圧検知回路は、反転入力端子が前記第１のコンデンサに接続されると共に非反転入力端子が所定の電圧源に接続されたオペアンプと、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に接続された第２のコンデンサと、を有する請求項１に記載の電圧検知装置。
3. 前記電圧検知回路は、前記第１のコンデンサに接続された第３のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第３のコンデンサとの間から分岐して前記第３のコンデンサに並列に接続されたダイオードと、前記ダイオードの下流側において前記ダイオードのカソードに直列に接続された第４のコンデンサと、を有する請求項１に記載の電圧検知装置。

Images