WO2021192530A1

WO2021192530A1 - 半導体装置、パワーモジュール、インバータ装置、および電動車両

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Publication number: WO2021192530A1
Application number: PCT/JP2021/001184
Authority: WO
Inventors: 隆宏荒木; 彬三間; 前川　典幸
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2022-09-23
Also published as: US12501714B2; DE112021000359T5; US20230148137A1; CN115136477A; CN115136477B; JP2021151159A; JP7232788B2

Abstract

サーミスタを流れる電流値が大きくなった場合に、サーミスタで発生する電圧降下が増大し、クランプ電圧にばらつきが発生する課題があった。　オンオフ制御されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の正極側端子と前記スイッチング素子の制御端子との間に接続されるサージ電圧保護回路と、を備え、前記サージ電圧保護回路は、第１ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードと直列に接続される第２ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードおよび前記第２ツェナーダイオードとは温度係数の極性が異なり、かつ前記第２ツェナーダイオードに並列に接続される温度特性補償素子と、により構成される半導体装置。

Description

半導体装置、パワーモジュール、インバータ装置、および電動車両

　本発明は、半導体装置、パワーモジュール、インバータ装置、および電動車両に関する。

　ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載されるインバータ装置には、オンオフ制御されるスイッチング素子が用いられる。このスイッチング素子は、スイッチング時間の短縮とサージ電圧の抑制の両立が望まれる。そのため、スイッチング素子の正極側端子とスイッチング素子の制御端子との間にサージ電圧保護回路が設けられている。サージ電圧保護回路は、スイッチング素子のドレイン・ソース間のブレークダウン電圧よりも低い電圧（クランプ電圧）で動作するように設定されており、サージが発生すると、スイッチング素子より先にブレークダウンしてスイッチング素子を保護する。

　特許文献１には、ツェナーダイオードＺ１のカソードがＭＯＳＦＥＴのドレインに接続され、ダイオードのアノードがツェナーダイオードＺ１のアノードに接続され、サーミスタがダイオードのカソードとＭＯＳＦＥＴのゲート間に接続され、サーミスタに固定抵抗器が並列に接続された負荷制御装置が開示されている。

特開２０１９－４７４１６号公報

　特許文献１に記載の装置では、サーミスタを流れる電流値が大きくなった場合に、サーミスタで発生する電圧降下が増大し、クランプ電圧にばらつきが発生する課題があった。

　本発明による半導体装置は、オンオフ制御されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の正極側端子と前記スイッチング素子の制御端子との間に接続されるサージ電圧保護回路と、を備え、前記サージ電圧保護回路は、第１ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードと直列に接続される第２ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードおよび前記第２ツェナーダイオードとは温度係数の極性が異なり、かつ前記第２ツェナーダイオードに並列に接続される温度特性補償素子と、により構成される。

　本発明によれば、電流値に因らずクランプ電圧のばらつきを抑制することができる。

第１の実施形態に係る半導体装置の回路構成図である。第１の実施形態に係るクランプ電圧の温度特性を示す図である。第１の実施形態に係るクランプ電圧の電流特性を示す図である。第２の実施形態に係る半導体装置の回路構成図である。第２の実施形態に係るクランプ電圧の温度特性を示す図である。半導体装置の実装構造を示す外観図である。半導体装置の内部構造を示す図である。半導体装置を内蔵したパワーモジュールの外観図である。パワーモジュールの内部構造を示す図である。インバータ装置を用いたモータの駆動回路を示す図である。電動車両の構成を示す図である。

［第１の実施形態]　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、公知の他の構成要素を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

　図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の回路構成図である。
　スイッチング素子１１０は、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードの組み合わせなどで構成され、正極側端子１１と、負極側端子１２と、制御端子１３を備える。

　正極側端子１１は図示していないインバータ装置の正極側に、負極側端子１２は図示していないインバータ装置の負極側に、制御端子１３は図示していないインバータ制御装置に接続されている。スイッチング素子１１０は、制御端子１３に入力される制御信号に基づいて正極側端子１１から負極側端子１２に流れる電流のオンとオフが制御される。

　サージ電圧保護回路１０は、スイッチング素子１１０の正極側端子１１とスイッチング素子１１０の制御端子１３の間に接続されている。一般に、サージ電圧保護回路１０は、ダイオード１４と第１ツェナーダイオード１５が直列に接続されて構成されている。この構成において、スイッチング素子１１０のスイッチングによって正極側端子１１と負極側端子１２の間に発生するサージ電圧が第１ツェナーダイオード１５のツェナー電圧によって設定されるクランプ電圧を超過したとする。この際に、第１ツェナーダイオード１５が通電することによって正極側端子１１から制御端子１３へ電流が流れて、制御端子１３の電位を上昇させることでスイッチング素子１１０をサージ電圧から保護している。

　本実施形態においては、サージ電圧保護回路１０は、図１に示すように、ダイオード１４と、第１ツェナーダイオード１５と、第１ツェナーダイオード１５と直列に接続される第２ツェナーダイオード１６と、第１ツェナーダイオード１５および第２ツェナーダイオード１６とは温度係数の極性が異なり、かつ第２ツェナーダイオード１６に並列に接続される温度特性補償素子１７と、により構成される。温度特性補償素子１７は、例えばサーミスタである。

　温度特性補償素子１７は、第２ツェナーダイオード１６と温度係数の極性が異なり、第２ツェナーダイオード１６が正の温度係数を有する場合、温度特性補償素子１７は負の温度係数を有する。すなわち、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が上昇した場合、第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧は上昇するが、温度特性補償素子１７の抵抗値は低下する。一方、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が低下した場合、第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧は低下するが、温度特性補償素子１７の抵抗値は上昇する。その結果、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が高い場合、サージ電圧保護回路１０を流れる電流は温度特性補償素子１７に多く流れ、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が低い場合、サージ電圧保護回路１０を流れる電流は第２ツェナーダイオード１６に多く流れる。

　したがって、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が高い場合のクランプ電圧は次式（１）によって算出され、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が低い場合のクランプ電圧は次式（２）によって算出される。
　Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｆ＋ＶＺＤ１＋ＶＮＴＣ・・・（１）
　Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｆ＋ＶＺＤ１＋ＶＺＤ２・・・（２）
　ここでＶｃｌａｍｐはサージ電圧保護回路１０のクランプ電圧、Ｖｆはダイオード１４の順方向電圧、ＶＺＤ１は第１ツェナーダイオード１５のツェナー電圧、ＶＮＴＣは温度特性補償素子１７で発生する電圧降下、ＶＺＤ２は第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧である。

　図２は、第１の実施形態に係るクランプ電圧の温度特性を示す図である。図２において、横軸は温度を、縦軸は電圧を示す。

　第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の温度が低い場合（図２のＴ１）、第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧ＶＺＤ２は低く、温度特性補償素子１７の抵抗値は大きいため、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐは（２）式に示した通り、第１ツェナーダイオード１５のツェナー電圧ＶＺＤ１と第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧ＶＺＤ２の和となる。

　一方、第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が高い場合（図２のＴ２）、第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧ＶＺＤ２は高く、温度特性補償素子１７の抵抗値は小さいため、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐは（１）式に示した通り、第１ツェナーダイオード１５のツェナー電圧ＶＺＤ１と温度特性補償素子１７で発生する電圧降下ＶＮＴＣの和となる。この結果、第１ツェナーダイオード１５のみを用いた一般の構成と比較して、温度変化に伴うクランプ電圧の変動が抑制される。

　図３は、第１の実施形態に係るクランプ電圧の電流特性を示す図である。図３において、横軸はサージ電圧保護回路１０を流れる電流を、縦軸はサージ電圧保護回路１０の電圧を示す。Ｖｃｌａｍｐはサージ電圧保護回路１０のクランプ電圧、Ｖｆはダイオード１４の順方向電圧、ＶＺＤ１は第１ツェナーダイオード１５のツェナー電圧、ＶＮＴＣは温度特性補償素子１７で発生する電圧降下、ＶＺＤ２は第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧である。

　第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７の素子温度が高い場合、第２ツェナーダイオード１６のツェナー電圧ＶＺＤ２は高く、温度特性補償素子１７の抵抗値は小さいため、サージ電圧保護回路１０を流れる電流は温度特性補償素子１７に多く流れる。そして、その電流が増加した場合、温度特性補償素子１７で発生する電圧降下ＶＮＴＣが増大し、電流Ｉ１において、第２ツェナーダイオード１６がツェナー電圧ＶＺＤ２を超過すると第２ツェナーダイオード１６が通電する。これにより、サージ電圧保護回路１０を流れる電流が増加した際にクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐが増大することを抑制することができる。

［第２の実施形態]　図４は第２の実施形態に係る半導体装置１００’の回路構成図である。図１に示した第１の実施形態と同一の個所には同一の符号を附してその説明を省略する。

　第２の実施形態においては、サージ電圧保護回路２０は、ダイオード１４と、第１ツェナーダイオード１５と、第１クランプ電圧補償回路部２０ａと、第２クランプ電圧補償回路部２０ｂと、・・・第ｎクランプ電圧補償回路部２０ｎとの直列接続により構成される。

　第１クランプ電圧補償回路部２０ａは、第２ツェナーダイオード１６ａと温度特性補償素子１７ａの並列接続で構成される。第２クランプ電圧補償回路部２０ｂは、第３ツェナーダイオード１６ｂと温度特性補償素子１７ｂの並列接続で構成される。第ｎクランプ電圧補償回路部２０ｎは、第ｎツェナーダイオード１６ｎと温度特性補償素子１７ｎの並列接続で構成される。温度特性補償素子１７ａ、１７ｂ、・・１７ｎは、第１ツェナーダイオード１５、第２ツェナーダイオード１６ａ、および第ｎツェナーダイオード１６ｎとは温度係数の極性が異なる。

　第２の実施形態では、第１クランプ電圧補償回路部２０ａにおける第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａと温度特性補償素子１７ａで発生する電圧降下ＶＮＴＣａの大小関係が変化する温度は、第２クランプ電圧補償回路部２０ｂにおける第３ツェナーダイオード１６ｂのツェナー電圧ＶＺＤ２ｂと温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂの大小関係が変化する温度と異なる。

　図５は、第２の実施形態に係るクランプ電圧の温度特性を示す図である。図２において、横軸は温度を、縦軸は電圧を示す。
　以下、説明を簡単にするため、サージ電圧保護回路２０が、ダイオード１４と、第１ツェナーダイオード１５と、第１クランプ電圧補償回路部２０ａと、第２クランプ電圧補償回路部２０ｂとの直列接続により構成される場合を例に説明する。

　第１～第２クランプ電圧補償回路部２０ａ～２０ｂの部品温度が、図５に示すように、Ｔ０～Ｔ１の低温時は、第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａよりも温度特性補償素子１７ａで発生する電圧降下ＶＮＴＣａのほうが大きい。また、第３ツェナーダイオード１６ｂのツェナー電圧ＶＺＤ２ｂよりも温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂのほうが大きい。このため、サージ電圧保護回路２０を流れる電流は、第２ツェナーダイオード１６ａと第３ツェナーダイオード１６ｂを流れる。したがって、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐは第１ツェナーダイオード１５ａのツェナー電圧ＶＺＤ１と第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａと第３ツェナーダイオード１６ｂのツェナー電圧ＶＺＤ２ｂの和となり、次式（３）によって算出される。
　Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｆ＋ＶＺＤ１＋ＶＺＤ２ａ＋ＶＺＤ２ｂ・・・（３）

　第１～第２クランプ電圧補償回路部２０ａ～２０ｂの部品温度が、図５に示すように、Ｔ１～Ｔ２に上昇すると、第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａよりも温度特性補償素子１７ａで発生する電圧降下ＶＮＴＣａのほうが大きい。また、第３ツェナーダイオード１６ｂのツェナー電圧ＶＺＤ２ｂよりも温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂのほうが小さい。このため、サージ電圧保護回路２０を流れる電流は、第２ツェナーダイオード１６ａと温度特性補償素子１７ｂを流れる。したがって、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐは第１ツェナーダイオード１５ａのツェナー電圧ＶＺＤ１と第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａと温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂの和となり、次式（４）によって算出される。
　Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｆ＋ＶＺＤ１＋ＶＺＤ２ａ＋ＶＮＴＣｂ・・・（４）

　第１～第２クランプ電圧補償回路部２０ａ～２０ｂの部品温度が、図５に示すように、Ｔ２～Ｔ３の高温時は、第２ツェナーダイオード１６ａのツェナー電圧ＶＺＤ２ａよりも温度特性補償素子１７ａで発生する電圧降下ＶＮＴＣａのほうが小さい。また、第３ツェナーダイオード１６ｂのツェナー電圧ＶＺＤ２ｂよりも温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂのほうが小さい。このため、サージ電圧保護回路２０を流れる電流は、温度特性補償素子１７ａと温度特性補償素子１７ｂを流れる。したがって、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐは第１ツェナーダイオード１５ａのツェナー電圧ＶＺＤ１ａと温度特性補償素子１７ａで発生する電圧降下ＶＮＴＣａと温度特性補償素子１７ｂで発生する電圧降下ＶＮＴＣｂの和となり、次式（５）によって算出される。
　Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｆ＋ＶＺＤ１＋ＶＮＴＣａ＋ＶＮＴＣｂ・・・（５）

　その結果、第１～第２クランプ電圧補償回路部２０ａ～２０ｂの部品温度が変化した際にクランプ電圧が複数回切り替わるためクランプ電圧の変動がさらに抑制される。第１～第２クランプ電圧補償回路部２０ａ～２０ｂについて説明したが、複数のクランプ電圧補償回路部が直列接続された場合も同様であり、クランプ電圧の変動をさらに抑制することができる。

　図６は、半導体装置１００の実装構造を示す外観図である。この外観図は、図１で示した第１の実施形態に係る半導体装置１００の外観図を例に説明するが、図４で示した第２の実施形態に係る半導体装置１００’の外観図も同様である。

　基板３０の最下面には正極側端子導体１１ａが配置され、銅やアルミニウムなど電気抵抗が小さく熱抵抗も小さい導体により構成されている。基板３０の最上面には負極側端子導体１２ａが配置され、銅やアルミニウムなどの導体により構成されている。

　図７は、半導体装置１００の内部構造を示す図であり、図６に示す負極側端子導体１２ａを取り除いた状態の図を示す。

　正極側端子導体１１ａの上面には正極側端子導体絶縁層１１ｂが配置されており、正極側端子導体絶縁層１１ｂは絶縁性の樹脂やセラミックなどにより構成されている。正極側端子導体絶縁層１１ｂの上面には制御信号層１３ａなどが配置されており、これは銅などの導体により構成されている。また、正極側端子導体１１ａの上面にはスイッチング素子１１０が配置されており、正極側端子導体１１ａとスイッチング素子１１０の正極側端子１１（図１参照）は、はんだなどの正極側端子接合材１１ｄによって接合されている。一方、スイッチング素子１１０の負極側端子１２（図１参照）は、はんだなどの負極側端子接合材１２ｄによって図示されていない負極側端子１２に接合されている。このとき、スイッチング素子１１０を多並列接続することによって、半導体素子の最大出力電流を増加させることができる。

　スイッチング素子１１０の制御端子１３（図１参照）は、ボンディングワイヤなどの制御信号線１３ｄによって制御信号層１３ａに接続されており、制御信号層１３ａにはサージ電圧保護回路１０を構成するダイオード１４、第１ツェナーダイオード１５、第２ツェナーダイオード１６、温度特性補償素子１７がはんだ付けされている。すなわち、スイッチング素子１１０とサージ電圧保護回路１０（ダイオード１４、第１ツェナーダイオード１５、第２ツェナーダイオード１６、温度特性補償素子１７）とは、同一の基板上に形成されている。このとき、半導体装置１００において、第１ツェナーダイオード１５と第２ツェナーダイオード１６と温度特性補償素子１７がそれぞれ近接するように配置することによって各部品の温度のばらつきを低減することができ、電気特性のばらつきを抑制することができる。

　図８は、半導体装置１００を内蔵したパワーモジュール２００の外観図である。
　内部の半導体装置１００からの信号線は下アーム制御信号線１３ｃと上アーム制御信号線１３ｂとしてまとめられる。上アーム正極側端子１１ｃと下アーム負極側端子１２ｃ、および上アーム負極端子・下アーム正極端子１８の上面ははんだなど熱抵抗の小さい接合材料によって放熱フィン２２に接合されている。側面は樹脂２１によってモールドすることで異物の混入を防ぎ、また耐圧の向上を計っている。

　図９は、パワーモジュール２００の内部構造を示す図であり、図８に示す放熱フィン２２や樹脂２１を取り除いた状態を示す図である。

　図９では、上アームとして用いる半導体装置１００－１を２個、下アームとして用いる半導体装置１００－２を２個設けた例を示す。上アームの正極側端子導体１１ａ（図７参照）ははんだなどの接合材によって上アーム正極側端子１１ｃに接続される。上アームの負極側端子（図１参照）および下アームの正極側端子（図１参照）は上アーム負極端子・下アーム正極端子１８に接続される。下アームの負極側端子（図１参照）は下アーム負極側端子１２ｃに接続される。配線インダクタンスを低減するために上アーム正極側端子１１ｃと下アーム負極側端子１２ｃは近接して配置される。上アームおよび下アームの制御端子（図１参照）はそれぞれ上アーム制御信号線１３ｂ、下アーム制御信号線１３ｃに接続される。

　第１および第２の実施形態においては、クランプ電圧の変動を抑制するサージ電圧保護回路１０、２０をスイッチング素子１１０の直近に配置することができるため、サージ電圧保護回路１０、２０の配線インダクタンスを低減することが可能となり、サージ電圧をクランプする際の応答速度を向上させることができる。また、クランプ電圧の変動を抑制するサージ電圧保護回路１０、２０にマイコンなどの制御装置を必要しないため、小型に構成することができ半導体装置１００、１００’若しくはパワーモジュール２００の内部に搭載することが可能となる。

　図１０は、インバータ装置３００を用いたモータ４００の駆動回路を示す図である。
　駆動回路は、インバータ装置３００と、インバータ制御装置３２０と、モータ４００と、位置センサ４１０と、電流センサ４２０と、を備える。

　インバータ制御装置３２０は外部からのトルク指令Ｔ＊、電流センサ４２０で検出された三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、位置センサ４１０で検出された回転子位置θに基づいてインバータ装置３００をＰＷＭ制御する。

　インバータ装置３００は、半導体装置１００ａ～１００ｆにより構成される。各半導体装置１００ａ～１００ｆは、図１で示したスイッチング素子１１０およびサージ電圧保護回路１０を内蔵する半導体装置１００である。もしくは、各半導体装置１００ａ～１００ｆは、図４で示したスイッチング素子１１０およびサージ電圧保護回路２０を内蔵する半導体装置１００’である。

　半導体装置１００ａはＵ相上アーム、半導体装置１００ｂはＵ相下アーム、半導体装置１００ｃはＶ相上アーム、半導体装置１００ｄはＶ相下アーム、半導体装置１００ｅはＷ相上アーム、半導体装置１００ｆはＷ相下アームに配置される。

　半導体装置１００ａ～１００ｆは、インバータ制御装置３２０で生成されたスイッチング信号に基づいてスイッチング素子１１０がオンもしくはオフされ、直流電源から印加された直流電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧は、モータ４００の固定子に印加され、３相交流電流を発生させる。この３相交流電流がモータ４００に回転磁界を発生させ、回転子が回転する。

　位置センサ４１０は、モータ４００の回転子の位置を検出し、検出した回転子位置θをインバータ制御装置３２０へ出力する。電流センサ４２０は、モータ４００に流れる電流を検出し、検出した三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをインバータ制御装置３２０へ出力する。

　図１１は、電動車両の構成を示す図である。
　図１１に示す電動車両は、ハイブリッド電気自動車の車体７００にインバータ装置３００を搭載し、モータ４００を駆動する。インバータ装置３００は、第１および第２の実施形態でそれぞれ説明した半導体装置１００、もしくは半導体装置１００’を有している。

　インバータ装置３００は、インバータ制御装置３２０から出力されるスイッチング信号に基づいて動作し、直流電力から交流電力への電力変換を行う。モータ４００は、インバータ装置３００から出力される交流電力を用いて駆動する。これにより、モータ４００の駆動力を用いて電動車両が走行する。さらに、モータ４００は回転駆動力を発生する電動機としてだけでなく、駆動力を受けて発電する発電機として動作する。すなわち、電動車両は、モータ４００をモータ／ジェネレータとして適用したパワートレインである。

　車体７００のフロント部には、前輪車軸７０１が回転可能に軸支されており、前輪車軸７０１の両端には、前輪７０２、７０３が設けられている。車体７００のリア部には、後輪車軸７０４が回転可能に軸支されており、後輪車軸７０４の両端には後輪７０５、７０６が設けられている。前輪車軸７０１には、動力分配機構であるデファレンシャルギア７１１が設けられており、エンジン７１０から変速機７１２を介して伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸７０１に分配する。

　エンジン７１０の出力軸は、モータ４００の出力軸に直接または変速機７１２を介して機械的に連結されている。これにより、モータ４００の回転駆動力がエンジン７１０に、エンジン７１０の回転駆動力がモータ４００にそれぞれ伝達できるようになっている。

　モータ４００は、インバータ装置３００によって制御された三相交流電力がステータのステータコイルに供給されることによって、ロータが回転し、三相交流電力に応じた回転駆動力を発生する。すなわち、モータ４００は、インバータ装置３００によって制御されて電動機として動作する一方、エンジン７１０の回転駆動力を受けてロータが回転することによって、ステータのステータコイルに起電力が誘起され、三相交流電力を発生する発電機として動作する。

　インバータ装置３００は、高電圧系（例えば３００Ｖ）の直流電源である高圧バッテリ５００から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、運転指令値に従ってロータの磁極位置に応じた、モータ４００のステータコイルに流れる三相交流電流を制御する。

　モータ４００によって発電された三相交流電力は、インバータ装置３００によって直流電力に変換されて高圧バッテリ５００を充電する。高圧バッテリ５００はＤＣ－ＤＣコンバータ７２４を介して低圧バッテリ７２３に電気的に接続されている。低圧バッテリ７２３は、自動車の低電圧系（例えば１２Ｖ）の直流電源を構成するものであり、エンジン７１０を初期始動（コールド始動）させるスタータ７２５や、ラジオ、ライト等の補機類などの電源に用いられる。

　電動車両が信号待ちなどの停車時（アイドルストップモード）にあるとき、エンジン７１０を停止させ、再発車時にエンジン７１０を再始動（ホット始動）させる時には、インバータ装置３００でモータ４００を駆動し、エンジン７１０を再始動させる。ただし、高圧バッテリ５００の充電量が不足している場合や、エンジン７１０が十分に温まっていない場合などにおいては、アイドルストップモードであっても、エンジン７１０を停止せずに駆動を継続することが好ましい。また、アイドルストップモード中においては、エアコンのコンプレッサなど、エンジン７１０を駆動源としている補機類の駆動源を確保する必要がある。この場合、エンジン７１０の代わりにモータ４００を駆動させて補機類の駆動源としてもよい。

　一方、電動車両が加速モードや高負荷運転モードにあるときは、モータ４００を駆動させてエンジン７１０の駆動をアシストする。逆に、高圧バッテリ５００の充電が必要な充電モードにあるときは、エンジン７１０によってモータ４００を発電させて高圧バッテリ５００を充電する。さらに、電動車両の制動時や減速時などには回生モードとして、電動車両の運動エネルギーによりモータ４００を発電させて高圧バッテリ５００を充電してもよい。

　本実施形態に係る電動車両においては、車体７００の駆動力を発生させるモータ４００はインバータ装置３００によって制御されており、インバータ装置３００はサージ電圧保護回路１０、２０によってサージ電圧から保護されている。

　したがって、サージ電圧保護回路１０、２０の温度変化に伴うクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの変動は第２ツェナーダイオード１６および温度特性補償素子１７等によって抑制されているため、サージ電圧保護回路１０、２０を設計する際にスイッチング素子１１０の素子耐圧に対するクランプ電圧のマージンを低減することが可能となる。そのためサージ電圧保護回路１０、２０の部品温度によらずスイッチング素子１１０の素子耐圧に対して適正なマージンが確保されたクランプ電圧でスイッチング素子１１０が動作するため、スイッチング時間が短縮されてスイッチング損失が低減される。

　その結果、走行時にインバータ装置３００で発生する発熱量が低減されるため冷却機構の小型化が可能となり、インバータ装置３００およびラジエターの小型化が可能となる。さらにインバータ装置３００で発生する損失が低減することによって消費電力量が低減され、電動車両の燃費が向上する。

　また、インバータ装置３００で発生するスイッチング損失が低減されることにより、インバータ装置３００の冷却性能を向上させることなく最大スイッチング周波数を高周波化することが可能となる。これによりインバータ装置３００の直流電圧部に発生する電圧リプルの周波数が高周波化されるため、インバータ装置３００の電源入力端子と並列に接続される入力電圧平滑コンデンサの容量削減および小型化が可能となる。さらにインバータ装置３００の最大出力周波数を向上させることができるため、モータ４００の最高回転数を向上させることが可能となる。その結果、モータ４００が高速回転化に伴い小型化され、電動車両への搭載自由度が向上することで車内空間の拡大が可能となる。

　以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体装置１００、１００’は、オンオフ制御されるスイッチング素子１１０と、スイッチング素子１１０の正極側端子とスイッチング素子１１０の制御端子との間に接続されるサージ電圧保護回路１０、２０と、を備え、サージ電圧保護回路１０、２０は、第１ツェナーダイオード１５と、第１ツェナーダイオード１５と直列に接続される第２ツェナーダイオード１６と、第１ツェナーダイオード１５および第２ツェナーダイオード１６とは温度係数の極性が異なり、かつ第２ツェナーダイオード１６に並列に接続される温度特性補償素子１７と、により構成される。これにより、電流値に因らずクランプ電圧のばらつきを抑制することができる。

　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

　１０、２０・・・サージ電圧保護回路、１１・・・正極側端子、１２・・・負極側端子、１３・・・制御端子、１４・・・ダイオード、１５・・・第１ツェナーダイオード、１６・・・第２ツェナーダイオード、１７・・・温度特性補償素子、２１・・・樹脂、２２・・・放熱フィン、１００、１００’・・・半導体装置、１００ａ・・・Ｕ相上アーム半導体装置、１００ｂ・・・Ｕ相下アーム半導体装置、１００ｃ・・・Ｖ相上アーム半導体装置、１００ｄ・・・Ｖ相下アーム半導体装置、１００ｅ・・・Ｗ相上アーム半導体装置、１００ｆ・・・Ｗ相下アーム半導体装置、１１０・・・スイッチング素子、３００・・・インバータ装置、３２０・・・インバータ制御装置、４００・・・モータ、４１０・・・位置センサ、４２０・・・電流センサ、７００・・・車体、７０１・・・前輪車軸、７０２、７０３・・・前輪、７０４・・・後輪車軸、７０５、７０６・・・後輪、７１０・・・エンジン、７１１・・・デファレンシャルギア、７１２・・・変速機、７２３・・・低圧バッテリ、７２４・・・ＤＣ－ＤＣコンバータ、７２５・・・スタータ、ＶＺＤ１・・・第１ツェナーダイオードのツェナー電圧、ＶＺＤ２・・・第２ツェナーダイオードのツェナー電圧、ＶＮＴＣ・・・温度特性補償素子の電圧降下、Ｖｃｌａｍｐ・・・クランプ電圧、ｉ_ｕ・・・Ｕ相電流検出値、ｉ_ｖ・・・Ｖ相電流検出値、ｉ_ｗ・・・Ｗ相電流検出値、Ｔ^*・・・トルク指令値、ω・・・角速度、θ・・・回転子位置。

Claims

　オンオフ制御されるスイッチング素子と、
　前記スイッチング素子の正極側端子と前記スイッチング素子の制御端子との間に接続されるサージ電圧保護回路と、を備え、
　前記サージ電圧保護回路は、第１ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードと直列に接続される第２ツェナーダイオードと、前記第１ツェナーダイオードおよび前記第２ツェナーダイオードとは温度係数の極性が異なり、かつ前記第２ツェナーダイオードに並列に接続される温度特性補償素子と、により構成される半導体装置。
　請求項１に記載の半導体装置において、
　前記サージ電圧保護回路は、前記第２ツェナーダイオードとツェナー電圧が異なり、かつ前記第２ツェナーダイオードに対して直列に接続される複数のツェナーダイオードと、　前記第１ツェナーダイオード、前記第２ツェナーダイオード、および前記複数のツェナーダイオードとは温度係数の極性が異なり、かつ前記複数の各ツェナーダイオードと並列に接続される温度特性補償素子と、により構成される半導体装置。
　請求項１に記載の半導体装置において、
　前記第２ツェナーダイオードのツェナー電圧は前記第１ツェナーダイオードのツェナー電圧よりも低い半導体装置。
　請求項１に記載の半導体装置において、
　前記温度特性補償素子はサーミスタである半導体装置。
　請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の半導体装置を備え、
　前記スイッチング素子と前記サージ電圧保護回路とを同一の基板上に形成したパワーモジュール。
　請求項５に記載のパワーモジュールを備え、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置。
　請求項６に記載のインバータ装置を備え、前記交流電圧によりモータを駆動する電動車両。