(57)【要約】【課題】半導体装置の小型化を実現しつつ、半導体モジュールに生じた過電流を検出する。【解決手段】半導体装置は、半導体モジュールと検出装置とを備える。半導体モジュールは、並列に接続され、各々が感温素子及び電流センス信号パッドを有する複数の半導体素子と、各々が対応する一つの半導体素子の感温素子に接続された複数の温度センス信号端子と、複数の半導体素子の全ての電流センス信号パッドに接続された共通電流センス信号端子とを有する。各々の半導体素子は、自己に流れる電流に比例する電流信号を電流センス信号パッドから出力する。検出装置は、共通電流センス信号端子と複数の温度センス信号端子とに接続され、共通電流センス信号端子から出力される電流信号が所定の電流閾値以上であるか、複数の半導体素子の少なくとも一つの温度が所定の温度閾値以上であるときに、当該少なくとも一つの半導体素子に過電流が流れたと判定する。【選択図】図１
2020088056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと、
前記半導体モジュールに生じた過電流を検出する検出装置と、を備え、
前記半導体モジュールは、
並列に接続されているとともに、各々が感温素子及び電流センス信号パッドを有する複数の半導体素子と、
各々が対応する一つの前記半導体素子の前記感温素子に接続された複数の温度センス信号端子と、
前記複数の半導体素子の全ての電流センス信号パッドに接続された共通電流センス信号端子と、を有し、
各々の前記半導体素子は、自己に流れる電流に比例する電流信号を前記電流センス信号パッドから出力し、
前記検出装置は、前記共通電流センス信号端子と前記複数の温度センス信号端子とに接続されており、前記共通電流センス信号端子から出力される電流信号が所定の電流閾値以上であるか、前記複数の半導体素子の少なくとも一つの温度が所定の温度閾値以上であるときに、当該少なくとも一つの半導体素子に過電流が流れたと判定する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体モジュールと、半導体モジュールの動作を制御するコントローラとを備える。半導体モジュールは、並列に接続された複数の半導体素子を内蔵するとともに、コントローラに接続された複数の信号端子を有する。複数の信号端子には、半導体素子に流れる電流を示す信号を出力する電流センス信号端子が含まれる。コントローラは、電流センス信号端子から出力される信号を監視することによって、例えば半導体モジュールで生じた過電流を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０９２９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した半導体装置では、一つの半導体素子について、一つの電流センス信号端子が設けられている。このような構成によると、各々の半導体素子に流れる電流をそれぞれ監視することで、半導体モジュールで生じた過電流を正しく検出することができる。しかしながら、半導体素子の数に応じて必要とされる電流センス信号端子の数も増大し、半導体装置は大型化する。本明細書は、半導体装置の小型化を図りつつ、半導体モジュールに生じた過電流を正しく検出し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと、半導体モジュールに生じた過電流を検出する検出装置とを備える。半導体モジュールは、並列に接続された複数の半導体素子と、複数の温度センス信号端子と、共通電流センス信号端子とを有する。複数の半導体素子の各々は、感温素子及び電流センス信号パッドを有している。各々の温度センス信号端子は、対応する一つの半導体素子の感温素子に接続されている。共通電流センス信号端子は、複数の半導体素子の全ての電流センス信号パッドに接続されている。各々の半導体素子は、自己に流れる電流に比例する電流信号を電流センス信号パッドから出力する。検出装置は、共通電流センス信号端子と複数の温度センス信号端子とに接続されており、共通電流センス信号端子から出力される電流信号が所定の電流閾値以上であるか、複数の半導体素子の少なくとも一つの温度が所定の温度閾値以上であるときに、当該少なくとも一つの半導体素子に過電流が流れたと判定する。
【０００６】
上記した半導体装置では、半導体モジュールが、共通電流センス信号端子を有している。共通電流センス信号端子は、複数の半導体素子の全ての電流センス信号パッドに接続されているので、共通電流センス信号端子からは、複数の半導体素子に流れる電流の合計値に比例する電流信号が出力される。検出装置は、共通電流センス信号端子から出力される電流信号に基づいて、複数の半導体素子に流れる電流の合計値を監視する。このような構成によると、各々の半導体素子に対して個別の電流センス信号端子を設ける必要がなく、それらの出力信号をそれぞれ監視する必要もない。従って、半導体装置の小型化を図ることができる。但し、複数の半導体素子の間には製造上の個体差が存在することから、複数の半導体素子に流れる電流は必ずしも均等ではなく、そのうちの一つの半導体素子のみに過電流が生じることもある。このような場合に、複数の半導体素子に流れる電流の合計値を監視するだけでは、その過電流を正しく検出できないおそれがある。そのことから、検出装置は、半導体モジュールに設けられた複数の温度信号端子にも接続されており、各々の半導体素子の温度をさらに監視する。そして、検出装置は、複数の半導体素子に流れる電流の合計値が所定の電流閾値以上であるか、複数の半導体素子の少なくとも一つの温度が所定の温度閾値以上であるときに、少なくとも一つの半導体素子に過電流が流れたと判定する。これにより、複数の半導体素子の間で個体差が存在する場合でも、半導体モジュールで生じた過電流を正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の半導体装置１００の内部構造を示す回路図。
【図２】第１半導体モジュール１０の内部構造を示す平面図。
【図３】温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄの温度Ｔに対する順方向電圧Ｖｆを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して、実施例の半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車におけるインバータ回路に採用することができる。図１に示すように、半導体装置１００は、互いに直列に接続された第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０とコントローラ３０とを備える。第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０は対を成しており、インバータ回路の三相のうちの一相の回路を構成することができる。コントローラ３０は、第１半導体モジュール１０の過電流を検出し、その検出結果に基づいて、第１半導体モジュール１０の動作を制御する装置である。第２半導体モジュール２０は不図示のコントローラに接続されており、そのコントローラによって、第１半導体モジュール１０と同様に制御される。あるいは、コントローラ３０が第１半導体モジュール１０及び第２半導体モジュール２０の両方を制御するように構成されていてもよい。ここで、コントローラ３０は、本明細書が開示する技術における「検出装置」の一例である。
【０００９】
図２に示すように、第１半導体モジュール１０について説明する。第１半導体モジュール１０は、複数の半導体素子１２、１４、１６と、複数の導体スペーサ５２、５４、５６と、第１導体板５８及び第２導体板６０と、封止体２と、複数の外部接続端子６２、６４、６６とを備える。各々の半導体素子１２、１４、１６は、互いに並列に接続されており、封止体２の内部に封止されている。封止体２は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂を用いて構成されている。第１導体板５８と第２導体板６０は、複数の半導体素子１２、１４、１６を挟んで対向している。複数の半導体素子１２は、第１導体板５８及び第２導体板６０の長手方向に沿って並んで配置されている。また、半導体素子１２、１４、１６の各々と第２導体板６０との間には、対応する一つの導体スペーサ５２、５４、５６が介挿されている。第１導体板５８と第２導体板６０と導体スペーサ５２、５４、５６は、銅又はその他の金属といった導体で形成されている。複数の外部接続端子６２、６４、６６は、複数の半導体素子１２、１４、１６の少なくとも一つと接続されており、封止体２の内部から外部に向かって突出して延びている。複数の外部接続端子６２、６４、６６は、銅、アルミニウム又はその他の金属といった導体によって形成されている。
【００１０】
第１半導体モジュール１０について、複数の半導体素子１２、１４、１６は、スイッチング素子であり、詳しくは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオード素子とを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。但し、半導体素子１２、１４、１６は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子といった他のスイッチング素子であってもよい。複数の半導体素子１２、１４、１６に用いられる半導体材料については、特に限定されず、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は、窒化ガリウム（ＧａＮ）といった窒化物半導体であってよい。
【００１１】
複数の半導体素子１２、１４、１６には、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４、第３半導体素子１６が含まれる。複数の半導体素子１２、１４、１６は、並列に接続されている。第１半導体素子１２は、主電極である表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１２ｐとを有する。第１半導体素子１２の表面電極と信号パッド１２ｐは、第１半導体素子１２の上面に位置し、第１半導体素子１２の裏面電極は、第１半導体素子１２の下面に位置する。第２半導体素子１４は、主電極の表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１４ｐとを有する。第２半導体素子１４の表面電極と信号パッド１４ｐは、第２半導体素子１４の上面に位置し、第２半導体素子１４の裏面電極は、第２半導体素子１４の下面に位置する。第３半導体素子１６は、主電極の表面電極（図示省略）及び裏面電極（図示省略）と複数の信号パッド１６ｐとを有する。第３半導体素子１６の表面電極と信号パッド１６ｐは、第３半導体素子１６の上面に位置し、第３半導体素子１６の裏面電極は、第３半導体素子１６の下面に位置する。各々の半導体素子１２、１４、１６の各電極を構成する材料には、特に限定されないが、アルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。
【００１２】
第１半導体素子１２は、第１温度センスダイオード１２ｄと、第１温度センスダイオード１２ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有する。第１温度センスダイオード１２ｄは、第１半導体素子１２に内蔵されており、第１半導体素子１２の温度を検出する。一例ではあるが、図３に示すように、第１温度センスダイオード１２ｄは、負の温度特性を有する感温素子の一例であり、その順方向電圧Ｖｆは温度に対して強く相関する。即ち、第１半導体素子１２の温度が上昇して、第１温度センスダイオード１２ｄの温度Ｔが上昇すると、その順方向電圧Ｖｆ（即ち、一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）間の電圧）は低下する。同様に、第２半導体素子１４は、第２温度センスダイオード１４ｄと、第２温度センスダイオード１４ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有し、第３半導体素子１６は、第３温度センスダイオード１６ｄと、第３温度センスダイオード１６ｄに接続された一対の温度センス信号パッド（Ａ、Ｋ）を有する。
【００１３】
第１半導体モジュール１０は、複数の外部接続端子６２、６４、６６を有する。複数の外部接続端子６２、６４、６６には、電力用の低電位端子（Ｎ端子）６２及び出力端子（Ｏ端子）６４と、複数の信号端子６６が含まれる。本実施例の複数の信号端子６６には、複数の第１信号端子１２ｃと、複数の第２信号端子１４ｃと、複数の第３信号端子１６ｃと、共通電流センス信号端子１０ｓｅとが含まれる。複数の第１信号端子１２ｃは、第１半導体素子１２の信号パッド１２ｐに接続されており、複数の第２信号端子１４ｃは、第２半導体素子１４の信号パッド１４ｐに接続されており、複数の第３信号端子１６ｃは、第３半導体素子１６の信号パッド１６ｐに接続されている。
【００１４】
複数の第１信号端子１２ｃには、ゲート信号端子１２ｇと、一対の温度センス信号端子１２ａ、１２ｋとが含まれる。ゲート信号端子１２ｇは、信号パッド１２ｐを介して第１半導体素子１２のゲート（ここでは、ＩＧＢＴのゲート）に接続されている。一対の温度センス信号端子１２ａ、１２ｋは、一対の信号パッド１２ｐを介して第１温度センスダイオード１２ｄに接続されている。詳しくは、一方の温度センス信号端子１２ａが、第１温度センスダイオード１２ｄのアノードに接続されており、他方の温度センス信号端子１２ｋは、第１温度センスダイオード１２ｄのカソードに接続されている。複数の第２信号端子１４ｃ及び複数の第３信号端子１６ｃについても同様であり、ゲート信号端子１４ｇ、１６ｇと、一対の温度センス信号端子１４ａ、１４ｋ、１６ａ、１６ｋとが含まれている。
【００１５】
共通電流センス信号端子１０ｓｅは、複数の半導体素子１２、１４、１６の全ての電流センス信号パッド（ＳＥ）に接続されている。各々の半導体素子１２、１４、１６は、自己に流れる電流に比例する電流信号を、電流センス信号パッド（ＳＥ）から出力する。従って、共通電流センス信号端子１０ｓｅからは、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値に比例する電流信号が出力される。
【００１６】
コントローラ３０は、第１半導体モジュール１０の複数の信号端子６６に接続されている。コントローラ３０は、複数の信号端子６６を介して、第１半導体モジュール１０の状態（温度や電流）を監視しながら、第１半導体モジュール１０の動作を制御する。例えば、コントローラ３０は、ゲート制御部４０を備えている。ゲート制御部４０は、各々のゲート信号端子１２ｇ、１４ｇ、１６ｇへ駆動制御信号を出力することによって、各々の半導体素子１２、１４、１６の動作を個別に制御することができる。
【００１７】
コントローラ３０は、電流監視部３２をさらに備える。電流監視部３２は、第１半導体モジュール１０の共通電流センス信号端子１０ｓｅに接続されている。前述したように、共通電流センス信号端子１０ｓｅからは、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値に比例する電流信号が出力される。電流監視部３２は、共通電流センス信号端子１０ｓｅから出力される電流信号が所定の電流閾値以上となったときに、異常信号を出力するように構成されている。即ち、電流監視部３２は、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値が所定の閾値以上であるときに、異常信号を出力する。電流監視部３２が出力する異常信号は、ゲート制御部４０に入力される。ゲート制御部４０は、電流監視部３２から異常信号が入力されると、複数の半導体素子１２、１４、１６の少なくとも一つに過電流が流れたと判定する。この場合、例えば駆動制御信号の出力を中止又は制限するといった、所定の保護動作を実行する。
【００１８】
このように、本実施例の半導体装置１００では、第１半導体モジュール１０が共通電流センス信号端子１０ｓｅを有しており、コントローラ３０の電流監視部３２は、共通電流センス信号端子１０ｓｅから出力される信号に基づいて、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値を監視する。このような構成によると、各々の半導体素子１２、１４、１６に対して個別の電流センス信号端子を設ける必要がなく、それらの出力信号をそれぞれ監視する必要もないので、半導体装置１００の小型化を図ることができる。
【００１９】
但し、複数の半導体素子１２、１４、１６の間には製造上の個体差が存在することから、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流は必ずしも均等ではなく、そのうちの一つの半導体素子のみに過電流が生じることもある。このような場合に、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値を監視するだけでは、その過電流を正しく検出できないおそれがある。そのことから、本実施例の半導体装置１００では、コントローラ３０が複数の半導体素子１２、１４、１６の温度をそれぞれ監視しており、それを併用することによって、半導体モジュール１０に生じた過電流をより正しく検出するように構成されている。
【００２０】
そのために、コントローラ３０は、温度監視部３６と温度検出部３８をさらに備える。温度監視部３６は、各々の半導体素子１２、１４、１６の温度センスダイオード１２ｄ、１４ｄ、１６ｄと接続されている。温度監視部３６は、各々の半導体素子１２、１４、１６の温度が所定の温度閾値以上である場合に、異常信号を温度検出部３８に出力する。温度検出部３８は、少なくとも一つの半導体素子の温度が所定の温度閾値以上である場合に、ゲート制御部４０へ異常信号を出力する。ゲート制御部４０は、温度検出部３８から異常信号が入力されると、複数の半導体素子１２、１４、１６の少なくとも一つに過電流が流れたと判定する。この場合でも、例えば駆動制御信号の出力を中止又は制限するといった、所定の保護動作を実行する。このように、本実施例のコントローラ３０は、複数の半導体素子１２、１４、１６に流れる電流の合計値が所定の電流閾値以上であるか、複数の半導体素子１２、１４、１６の少なくとも一つの温度が所定の温度閾値以上であるときに、少なくとも一つの半導体素子に過電流が流れたと判定する。これにより、複数の半導体素子１２、１４、１６の間で個体差が存在する場合でも、第１半導体モジュール１０で生じた過電流を正しく検出することができる。
【００２１】
第２半導体モジュール２０及びそのコントローラ（不図示）についても、上述した第１半導体モジュール１０及びそのコントローラ３０と同様の構成が採用されている。そのことから、第２半導体モジュール２０及びそのコントローラについての重複する説明は省略する。本実施例における半導体装置１００は、第２半導体モジュール２０において過電流が生じたときでも、それを正しく検出することができる。
【００２２】
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【符号の説明】
【００２３】
２：封止体
１０：第１半導体モジュール
１０ｓｅ：共通電流センス信号端子
１２、１４、１６：半導体素子
１２ａ、１２ｋ、１４ａ、１４ｋ、１６ａ、１６ｋ：温度センス信号端子
１２ｃ：第１信号端子
１２ｄ、１４ｄ、１６ｄ：温度センスダイオード
１２ｇ、１４ｇ、１６ｇ：ゲート信号端子
１２ｐ、１４ｐ、１６ｐ：信号パッド
１４ｃ：第２信号端子
１６ｃ：第３信号端子
２０：第２半導体モジュール
３０：コントローラ
３２：電流監視部
３６：温度監視部
３８：温度検出部
４０：ゲート制御部
５２、５４、５６：導体スペーサ
５８、６０：導体板
６２：Ｎ端子
６４：Ｏ端子
１００：半導体装置
Ｔ：温度センスダイオードの温度
Ｖｆ：順方向電圧
【図１】
2020088056.tif 000003
【図２】
2020088056.tif 000004
【図３】
2020088056.tif 000005