(57)【要約】  パワーモジュール内のパワー半導体素子に短絡障害が生じた時に、瞬時に短絡電流を遮断して急激な温度上昇を防ぐ。  パワーモジュール１０は、パッケージ１０ａを有している。パッケージ１０ａ内には、パワー半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ２１と、このＭＯＳＦＥＴ２１の動作状態を検出して検出信号を出力する検出手段としての抵抗２３と、そのＭＯＳＦＥＴ２１に直列に接続された電流遮断用のスイッチであるＭＯＳＦＥＴ２２と、を有している。ＭＯＳＦＥＴ２２は、前記検出信号に基づき生成される制御信号Ｓｉ２に応答して、ＭＯＳＦＥＴ２１の通常動作時には導通状態となり、ＭＯＳＦＥＴ２１の短絡障害発生時には遮断状態となってＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を遮断する。
2017175326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を導通／遮断するスイッチング用のパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の動作状態を検出して検出信号を出力する検出手段と、
前記パワー半導体素子に直列に接続され、前記検出信号に基づき生成される制御信号に応答して、前記パワー半導体素子の通常動作時には導通状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を導通させ、前記パワー半導体素子の短絡障害発生時には遮断状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を遮断する電流遮断用のスイッチと、
がパッケージに収容されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記検出手段は、
前記パワー半導体素子に流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出手段であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに直列に接続された抵抗を有し、該抵抗の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに直列に接続された抵抗を有し、前記スイッチと前記抵抗とを含む回路の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに設置された電流検出用端子に直列に接続された抵抗を有し、該抵抗の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記検出手段は、
前記パワー半導体素子の動作時に発生する温度を検出して温度検出信号を出力する温度検出手段であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記温度検出手段は、
前記パワー半導体素子の近傍の温度によって電気特性が変化する、サーミスタを含む感温素子であることを特徴とする請求項５記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パッケージの内部又は外部に設けられた制御回路を有し、
前記制御回路は、
前記検出信号が所定の値を超えた場合に、前記パワー半導体素子に短絡障害が発生したと判定して、前記制御信号を生成する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源回路等に使用されるパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ等の電源回路では、電力用のＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワー半導体素子がスイッチング素子として使用されている。通常、それらのパワー半導体素子は、単体素子又は複数素子をパッケージ内に収容し、放熱板等を備えたパワーモジュールとしてパッケージ化されている。特許文献１及び２には、パワーモジュールの従来例が記載されている。【０００３】
図８は、従来のパワーモジュールを有する電源回路の一例を示す回路図である。
この電源回路は、トランス４の左の１次側により供給される交流電圧を、右の２次側において２つのパワーモジュール５−１，５−２により交互にオン／オフのスイッチングを行うことで直流電圧に変換し、チョークコイル３およびコンデンサ２を経由してバッテリ１の充電を行う回路である。各パワーモジュール５−１，５−２のパッケージ内には、スイッチング用のパワー半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ５ａがそれぞれ内蔵されている。【０００４】
従来、パワーモジュール（例えば、５−１，５−２）を電源回路で用いる場合、大きな電力での動作によるパワー半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ５ａ）の発熱等による劣化を考慮した対策が行われている。例えば、特許文献１では、パワー半導体素子に順方向電流を流した時の電流値の変化から熱抵抗の劣化を検出し、半田接合部の劣化を検出する方法が記載されている。特許文献２では、パワー半導体素子としてワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、大電流が流れた時にも半導体素子の接合部の温度を許容値以下にする方法が記載されている。又、図８に示すような電源回路においては、バッテリ１への供給線路に過電流を防止するためのヒューズを挿入する等の対策も行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９９５３号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１１／０８６７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のパワーモジュール（例えば、５−１，５−２）では、次の（ａ）〜（ｃ）のような課題がある。
（ａ）  上記のように、パワー半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ５ａ）の劣化の検出や温度上昇を減らす工夫等が行われているが、パワーモジュール５−１，５−２自体には保護機能を備えていない。そのため、パワーモジュール５−１，５−２内のＭＯＳＦＥＴ５ａに短絡障害が生じた時には、その短絡電流を制限することができない。
（ｂ）  外部回路でヒューズを挿入して過電流を防止する場合には、電源回路等の回路全体の電流を基準に切断する電流値を決める。そのため、複数のパワーモジュール５−１，５−２を使用する回路においては、パワーモジュール５−１，５−２毎の短絡電流に対応することが難しい。
（ｃ）  ヒューズを使用する場合には、切断にある程度の時間を要する。パワーモジュール５−１，５−２に短絡障害が生ずると、急激な温度上昇が生ずる。そのため、安全上できるだけ瞬時にその電流を遮断する必要があり、ヒューズの選定が難しい。【０００７】
本発明の目的は、上記のような課題を解決し、パワーモジュール内のパワー半導体素子に短絡障害が生じた時に、瞬時に短絡電流を遮断して急激な温度上昇を防ぐことが可能なパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のパワーモジュールは、電流を導通／遮断するスイッチング用のパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の動作状態を検出して検出信号を出力する検出手段と、前記パワー半導体素子に直列に接続され、前記検出信号に基づき生成される制御信号に応答して、前記パワー半導体素子の通常動作時には導通状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を導通させ、前記パワー半導体素子の短絡障害発生時には遮断状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を遮断する電流遮断用のスイッチと、がパッケージに収容されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のパワーモジュールによれば、次の（ｉ）、（ｉｉ）のような効果が得られる。
（ｉ）  電流遮断用のスイッチをパワー半導体素子に直列に接続してパワーモジュールのパッケージ内に設けているので、そのパワー半導体素子の短絡電流を瞬時に遮断することができる。
（ｉｉ）  パワー半導体素子の動作状態を検出する検出手段をパワーモジュールのパッケージ内に設けているので、パワー半導体素子の短絡障害発生時の検出を、外部の検出手段を必要としないで容易に行える。【００１０】
以上より、パワーモジュール内のパワー半導体素子に短絡障害が生じた時に、瞬時に短絡電流を遮断して急激な温度上昇を防ぐことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施例１におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【図２】図２は、図１の適用例１を示す電源回路における概略の回路図である。
【図３】図３は、図１の適用例２を示す制御回路付きパワーモジュールにおける概略の回路図である。
【図４】図４は、本発明の実施例２におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【図５】図５は、本発明の実施例３におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【図６】図６は、本発明の実施例４におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【図７】図７は、本発明の実施例５におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【図８】図８は、従来のパワーモジュールを有する電源回路の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００１３】
（実施例１のパワーモジュールの構成）
図１は、本発明の実施例１におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。【００１４】
このパワーモジュール１０は、パワー半導体素子等を収容するパッケージ１０ａを有している。パッケージ１０ａは、高耐熱性・高絶縁性の樹脂やセラミックス等により形成されている。このパッケージ１０ａには、電流入力端子１１、電流出力端子１２、スイッチング信号Ｓｉ１を入力する制御端子１３、制御信号Ｓｉ２を入力する制御端子１４、及び電流検出信号Ｓ１５を出力する検出端子１５が設けられている。【００１５】
パッケージ１０ａ内には、スイッチング用のパワー半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）２１、電流遮断用のスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）２２、及び検出手段の一つである電流検出手段（例えば、抵抗）２３が収容されている。ＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン・ソース、ＭＯＳＦＥＴ２２のドレイン・ソース、及び抵抗２３は、電流入力端子１１と電流出力端子１２との間に直列に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２１のゲートは、制御端子１３に接続され、更に、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲートも、制御端子１４に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２２と抵抗２３との接続点は、検出端子１５に接続されている。【００１６】
ＭＯＳＦＥＴ２１は、制御端子１３からゲートに入力されるスイッチング信号Ｓｉ１により、ドレイン・ソース間がオン／オフ動作し、電流入力端子１１と電流出力端子１２との間を流れる電流を導通／遮断する機能を有している。ＭＯＳＦＥＴ２２は、制御端子１４からゲートに流れる制御信号Ｓｉ２により、ドレイン・ソース間がオン／オフ動作し、ＭＯＳＦＥＴ２１の通常動作時には導通状態（オン状態）となって、そのＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を導通させ、ＭＯＳＦＥＴ２１の短絡障害発生時には遮断状態（オフ状態）となって、そのＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を遮断する機能を有している。【００１７】
検出端子１５と電流出力端子１２から、抵抗２３の両端の電圧を、ＭＯＳＦＥＴ２１の動作状態を検出するための検出信号（例えば、電流検出信号）Ｓ１５として取り出すことができるようになっている。取り出された電流検出信号Ｓ１５は、外部に設けられた図示しない制御回路へ与えられ、その制御回路によって制御信号Ｓｉ２が生成され、制御端子１４に入力される。そのため、抵抗２３は、ＭＯＳＦＥＴ２１の動作状態を検出して電流検出信号Ｓ１５を出力する検出手段（例えば、電流検出手段）としての機能を有している。【００１８】
（実施例１のパワーモジュールの動作）
外部の制御回路は、検出端子１５及び電流出力端子１２間から出力された電流検出信号Ｓ１５が正常な範囲にあると判定した時には、電流導通用の制御信号Ｓｉ２を生成し、制御端子１４に入力する。入力された電流導通用の制御信号Ｓｉ２により、ＭＯＳＦＥＴ２２がオン状態になる。この状態において、制御端子１３から入力されるスイッチング信号Ｓｉ１により、ＭＯＳＦＥＴ２１がオン又はオフ動作し、電流入力端子１１と電流出力端子１２との間を流れる電流が導通又は遮断される。【００１９】
ＭＯＳＦＥＴ２１が劣化し、このＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生すると、ＭＯＳＦＥＴ２２を通して抵抗２３に大きな短絡電流が流れる。すると、検出端子１５及び電流出力端子１２間から出力された電流検出信号Ｓ１５が、外部の図示しない制御回路へ供給される。【００２０】
外部の制御回路は、電流検出信号Ｓ１５が増加しているので、ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生していると判定し、電流遮断用の制御信号Ｓｉ２を生成して制御端子１４に入力する。電流遮断用の制御信号Ｓｉ２が制御端子１４に入力されると、瞬時に、ＭＯＳＦＥＴ２２がオン状態からオフ状態へ切り替わり、ＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流が遮断される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２１の急激な温度上昇が抑制される。【００２１】
（実施例１の適用例１）
図２は、図１のパワーモジュール１０の適用例１を示す電源回路における概略の回路図である。【００２２】
この電源回路は、バッテリ３０に供給される直流電圧を入力する正極入力端子３１及び負極入力端子３２を有している。正極入力端子３１及び負極入力端子３２には、コンデンサ３３及びチョークコイル３４を介してトランス３５が接続されている。トランス３５の一方の電極と負極入力端子３２との間には、第１のパワーモジュール１０−１が接続されている。更に、トランス３５の他方の電極と負極入力端子３２との間にも、第２のパワーモジュール１０−２が接続されている。【００２３】
第１及び第２のパワーモジュール１０−１，１０−２は、それぞれ図１のパワーモジュール１０と同一の構成である。第１のパワーモジュール１０−１において、電流入力端子１１がトランス３５の一方の電極に接続され、電流出力端子１２が負極入力端子３２に接続されている。更に、第２のパワーモジュール１０−２において、電流入力端子１１がトランス３５の他方の電極に接続され、電流出力端子１２が負極入力端子３２に接続されている。【００２４】
このような構成の電源回路は、以下のように動作する。
トランス３５の左の１次側により供給される交流電圧が、トランス３５の右の２次側において、２つのパワーモジュール１０−１，１０−２により交互にオン／オフのスイッチングを行うことで直流電圧に変換される。その直流電圧が、チョークコイル３４およびコンデンサ３３を経由して平滑化され、バッテリ３０に供給される。これによりバッテリ３０が充電される。【００２５】
第１及び第２のパワーモジュール１０−１，１０−２において、ＭＯＳＦＥＴ２２は、ＭＯＳＦＥＴ２１の通常動作時にはオン状態となって、そのＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を導通させる。この時、抵抗２３の両端の電圧が、２つのＭＯＳＦＥＴ２１，２２を流れる電流の電流検出信号Ｓ１５として、検出端子１５及び電流出力端子１２間から、外部の図示しない制御回路に取り出される。【００２６】
外部の制御回路は、電流検出信号Ｓ１５が正常な範囲にあると判断した場合には、ＭＯＳＦＥＴ２２の制御端子１４に、電流導通用の制御信号Ｓｉ２を入力し、ＭＯＳＦＥＴ２２をオン状態にする。一方、外部の制御回路は、電流検出信号Ｓ１５が増加し、ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生していると判定した場合には、制御端子１４から電流遮断用の制御信号Ｓｉ２を入力し、ＭＯＳＦＥＴ２２をオフ状態にする。そのため、ＭＯＥＦＥＴ２１に短絡障害が生じた時に、瞬時にその電流路を遮断して、バッテリ３０からの過剰な直流電流の供給を断ち、ＭＯＥＦＥＴ２１の急激な温度上昇を抑制する。【００２７】
（実施例１の適用例２）
図３は、図１のパワーモジュール１０の適用例２を示す制御回路付きパワーモジュールにおける概略の回路図である。【００２８】
この制御回路付きパワーモジュールは、矩形波のスイッチング信号Ｓｉ１を入力する入力端子４１と、出力端子４２と、を有している。入力端子４１及び出力端子４２には、図１のパワーモジュール１０と制御回路５０とが接続されている。即ち、入力端子４１が、パワーモジュール１０の制御端子１３に接続され、出力端子４２が、制御回路５０とそのパワーモジュール１０の電流出力端子１２とに接続されている。パワーモジュール１０の制御端子１４及び検出端子１５と出力端子４２とには、制御回路５０が外付けで接続されている。【００２９】
制御回路５０は、パワーモジュール１０の動作を外部から制御する回路であり、例えば、パッケージ５０ａに収容されてモジュール化されている。パッケージ５０ａには、入力端子５１が設けられ、このパッケージ５０ａから引き出されたリード線が、パワーモジュール１０の制御端子１４及び検出端子１５と出力端子４２とに接続されている。【００３０】
制御回路５０は、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する基準電圧源５２、比較回路５３、及びラッチ回路５４を有している。基準電圧源５２は、負極側が出力端子４２に接続され、正極が比較回路５３の第２入力端子に接続されている。比較回路５３の第１入力端子は、パワーモジュール１０の検出端子１５に接続されている。比較回路５３は、第１入力端子から入力される電流検出信号Ｓ１５と、第２入力端子から入力される基準電圧Ｖｒｅｆと、の大小を比較して比較信号を出力する回路であり、この出力側に、ラッチ回路５４の入力端子が接続されている。【００３１】
ラッチ回路５４の他の入力端子には、入力端子５１が接続され、更に、そのラッチ回路５４の出力端子が、パワーモジュール１０の制御端子１４に接続されている。ラッチ回路５４は、入力端子５１から入力される駆動信号に基づき、比較回路５３の比較信号をラッチし、所定のタイミングで、制御信号Ｓｉ２をパワーモジュール１０の制御端子１４へ出力する回路である。【００３２】
このような構成の制御回路付きパワーモジュールは、以下のように動作する。
制御回路５０において、パワーモジュール１０の検出端子１５から電流検出信号Ｓ１５として出力される抵抗２３の電圧値が、比較回路５３に入力され、基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。基準電圧Ｖｒｅｆは、ＭＯＥＦＥＴ２１の正常動作における電流によって抵抗２３に生ずる電圧と、短絡障害時の電流によって生ずる電圧と、の判定可能な電圧値に設定されている。そのため、比較回路５３は、電流検出信号Ｓ１５が基準電圧Ｖｒｅｆより小さい時には、正常動作を与える比較信号をラッチ回路５４へ出力し、電流検出信号Ｓ１５が基準電圧Ｖｒｅｆより大きい時には、遮断動作を与える比較信号をラッチ回路５４へ出力する。【００３３】
ラッチ回路５４は、比較回路５３から正常動作を与える比較信号が出力されている間、ＭＯＳＦＥＴ２２をオン状態にするための制御信号Ｓｉ２を制御端子１４へ出力する。一方、比較回路５３から遮断動作を与える比較信号が一旦出力されると、ラッチ回路５４は、ＭＯＳＦＥＴ２２をオフ状態にするための制御信号Ｓｉ２を制御端子１４へ出力し、その状態を保持する。【００３４】
このような外付けの制御回路５０は、図２のパワーモジュール１０−１，１０−２に対しても付加される。なお、使用される複数のパワーモジュール１０−１，１０−２に対して外付けの制御回路５０を用いる場合は、使用される複数のパワーモジュール１０−１，１０−２のそれぞれに対応する制御回路を一体として含む回路を用いてもよい。【００３５】
本実施例１において、短絡障害発生と判定する電流値としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ２１の定格電流の２〜３倍の電流値を判定基準とし、その電流値に対応する検出電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとしてもよい。【００３６】
（実施例１の効果）
本実施例１のパワーモジュール１０（＝１０−１，１０−２）とこれを有する電源回路によれば、次の（ａ）〜（ｃ）のような効果がある。
（ａ）  図２のパワーモジュール１０−１，１０−２では、この内部のＭＯＥＦＥＴ２１に短絡障害が生じた時に、瞬時にその電流路を遮断して、バッテリ３０からの過剰な電流の供給を遮断する。そのため、ＭＯＥＦＥＴ２１の急激な温度上昇を防ぐことができる。
（ｂ）  前記（ａ）のようなパワーモジュール１０−１，１０−２での短絡障害の発生は、制御回路５０又は全体の電源回路においてアラーム表示等により表示することができる。特に、制御回路５０でアラーム表示することにより、障害個所を示すことが可能になる。
（ｃ）  ＭＯＳＦＥＴ２２は、電流遮断用のスイッチとしてのみ機能すればよいので、高速動作は必要ではない。例えば、動作速度は、ＭＯＳＦＥＴ２１より１桁程度以上遅くてもよいので、チップサイズの小型化が可能である。
【実施例２】
【００３７】
（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２におけるパワーモジュールを示す概略の回路図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。【００３８】
本実施例２のパワーモジュール１０Ａは、実施例１のパワーモジュール１０と比較すると、検出端子１５が、ＭＯＳＦＥＴ２１とＭＯＳＦＥＴ２２との接続点に接続されている点が異なっている。検出端子１５と電流出力端子１２から、ＭＯＳＦＥＴ２２と抵抗２３とを含む回路の両端の電圧を、ＭＯＳＦＥＴ２１の動作状態を検出するための電流検出信号Ｓ１５として取り出す。【００３９】
本実施例２のその他の構成は、実施例１と同様である。【００４０】
（実施例２の動作）
本実施例のパワーモジュール１０Ａの動作は、実施例１のパワーモジュール１０の動作と同様である。但し、本実施例２の電流検出信号Ｓ１５は、実施例１のパワーモジュール１０における電流検出信号Ｓ１５と比較すると、ＭＯＳＦＥＴ２２の両端に発生する電圧分だけ大きい。電流検出信号Ｓ１５は、外部に設けられた図示しない制御回路へ与えられ、その制御回路によって制御信号Ｓｉ２が生成され、制御端子１４に入力される。【００４１】
外部の制御回路は、検出端子１５及び電流出力端子１２間から出力された電流検出信号Ｓ１５が正常な範囲にあると判定した時には、電流導通用の制御信号Ｓｉ２を生成し、制御端子１４に入力する。入力された電流導通用の制御信号Ｓｉ２により、ＭＯＳＦＥＴ２２がオン状態になる。【００４２】
ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生すると、ＭＯＳＦＥＴ２２及び抵抗２３に大きな短絡電流が流れ、電流検出信号Ｓ１５が増加する。すると、外部の制御回路は、電流遮断用の制御信号Ｓｉ２を生成して制御端子１４に入力し、瞬時に、ＭＯＳＦＥＴ２２をオン状態からオフ状態へ切り替え、ＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を遮断する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２１の急激な温度上昇が抑制される。
【実施例３】
【００４３】
（実施例３の構成）
図５は、本発明の実施例３におけるパワーモジュールを示す概略の回路図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。【００４４】
本実施例３のパワーモジュール１０Ｂでは、実施例１のパワーモジュール１０の抵抗２３に代えて、温度検出手段であるサーミスタ等の感温素子２４が設けられ、更に、実施例１のパワーモジュール１０の検出端子１５に対して、新たな検出端子１６が追加されている。【００４５】
２つの検出端子１５，１６は、パッケージ１０ａに設けられており、この２つの検出端子１５，１６間に、感温素子２４が接続されている。感温素子２４は、ＭＯＳＦＥＴ２１の近傍に設置され、このＭＯＳＦＥＴ２１の動作時に発生する温度を検出して温度検出信号Ｓ２４を検出端子１５，１６へ出力する素子である。感温素子２４として、例えば、サーミスタを使用する場合、このサーミスタは、温度によって抵抗値が変化するので、この抵抗値の変化を温度検出信号Ｓ２４として利用すればよい。【００４６】
本実施例３のその他の構成は、実施例１と同様である。【００４７】
（実施例３の動作）
パワーモジュール１０Ｂ内のＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生すると、このＭＯＳＦＥＴ２１の温度が上昇する。この温度上昇が感温素子２４で検出され、温度検出信号Ｓ２４が検出端子１５，１６から出力される。温度検出信号Ｓ２４は、例えば、図３の外付けの制御回路５０と同様の制御回路へ供給される。【００４８】
例えば、図３の外付けの制御回路５０と同様の制御回路において、比較回路５３は、供給された温度検出信号Ｓ２４と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。ＭＯＳＦＥＴ２１の種類や放熱板等を含めた構造、動作条件等に、そのＭＯＳＦＥＴ２１の動作時の温度が依存し、又、感温素子２４の設置場所により検出温度が変わる。そこで、基準電圧Ｖｒｅｆは、対象とするパワーモジュール１０Ｂに依存して設定される。つまり、基準電圧Ｖｒｅｆは、ＭＯＥＦＥＴ２１の正常動作時に検出される温度と、短絡障害時に検出される温度と、の判定可能な電圧値に設定される。【００４９】
比較回路５３は、温度検出信号Ｓ２４が基準電圧Ｖｒｅｆより小さい時には、正常動作を与える比較信号を出力し、温度検出信号Ｓ２４が基準電圧Ｖｒｅｆより大きい時には、遮断動作を与える比較信号を出力する。ラッチ回路５４は、比較回路５３から正常動作を与える比較信号が出力されている間、ＭＯＳＦＥＴ２２をオン状態にする制御信号Ｓｉ２を出力する。一方、ラッチ回路５４は、比較回路５３から遮断動作を与える比較信号が一旦出力されると、ＭＯＳＦＥＴ２２をオフ状態にする制御信号Ｓｉ２を出力し、その状態を保持する。【００５０】
（実施例３の効果）
本実施例３のパワーモジュール１０Ｂによれば、ＭＯＥＦＥＴ２１に短絡障害が生じた時にそれを検出する感温素子２４を設けたので、短絡障害発生時に、瞬時にＭＯＥＦＥＴ２１の電流路を遮断できる。そのため、過剰な電流が遮断されて、ＭＯＥＦＥＴ２１の急激な温度上昇を防ぐことができる。
【実施例４】
【００５１】
（実施例４の構成）
図６は、本発明の実施例４におけるパワーモジュールを示す概略の回路図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。【００５２】
本実施例４のパワーモジュール１０Ｃでは、実施例１のパワーモジュール１０のＭＯＳＦＥＴ２２及び抵抗２３に代えて、電流遮断用のスイッチであるＭＯＳＦＥＴ２５、電流検出手段である抵抗２６、及び電流検出用の検出端子１７が設けられている。ＭＯＳＦＥＴ２５は、主となるスイッチング用のＭＯＳＦＥＴに電流検出用のＭＯＳＦＥＴ、所謂センスＭＯＳＦＥＴを一体化した素子であり、電流検出用の端子を有している。【００５３】
このＭＯＳＦＥＴ２５の電流検出用の端子に検出端子１５が接続されており、その検出端子１５と検出端子１７との間に、抵抗２６が接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２５は、ＭＯＳＦＥＴ２１の通常動作時には、オン状態となってＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を導通させ、ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生した時には、オフ状態となってＭＯＳＦＥＴ２１を流れる電流を遮断する機能を有している。【００５４】
本実施例４のその他の構成は、実施例１と同様である。【００５５】
（実施例４の動作）
ＭＯＳＦＥＴ２５は、ＭＯＳＦＥＴ２１に直列に接続されているので、抵抗２６の両端の電圧値として検出されるＭＯＳＦＥＴ２５の電流値に対応する信号は、ＭＯＳＦＥＴ２１の電流値とも対応している。【００５６】
本実施例４のパワーモジュール１０Ｂは、例えば、図３の外付けの制御回路５０と同様の制御回路によって制御される。ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生した時には、このＭＯＳＦＥＴ２１の電流が増加し、この結果、ＭＯＳＦＥＴ２５を流れる電流も増加し、検出端子１５，１７から検出される検出電圧値が増大する。その検出電圧値は、例えば、図３の制御回路５０と同様の制御回路へ与えられる。【００５７】
例えば、図３の制御回路５０と同様の制御回路において、比較回路５３は、与えられた検出電圧値と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。基準電圧Ｖｒｅｆは、ＭＯＥＦＥＴ２１の正常動作時に検出される検出電圧値と、短絡障害時に検出される検出電圧値と、の判定可能な電圧値に設定されている。【００５８】
比較回路５３は、検出電圧値が基準電圧Ｖｒｅｆより小さい時には、正常動作を与える比較信号を出力し、検出電圧値が基準電圧Ｖｒｅｆより大きい時には、遮断動作を与える比較信号を出力する。ラッチ回路５４は、比較回路５３から正常動作を与える比較信号が出力されている間、ＭＯＳＦＥＴ２５をオン状態にする制御信号Ｓｉ２を出力する。一方、ラッチ回路５４は、比較回路５３から遮断動作を与える比較信号が一旦出力されると、ＭＯＳＦＥＴ２５をオフ状態にする制御信号Ｓｉ２を出力し、その状態を保持する。【００５９】
（実施例４の効果）
本実施例４のパワーモジュール１０Ｂによれば、ＭＯＥＦＥＴ２１に短絡障害が生じた時に、それを抵抗２６の両端の電圧値により検出するようにしたので、ＭＯＳＦＥＴ２５により、瞬時にＭＯＳＦＥＴ２１の電流路を遮断して過剰な電流を遮断し、ＭＯＥＦＥＴ２１の急激な温度上昇を防ぐことができる。  
【実施例５】
【００６０】
（実施例５の構成）
図７は、本発明の実施例５におけるパワーモジュールを示す概略の回路図であり、実施例１を示す図３中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。【００６１】
本実施例５のパワーモジュール１０Ｄでは、図３の外付けにされた制御回路５０が、パッケージ１０ａ内に収容されて、制御回路内蔵のパワーモジュール構成になっている。パッケージ１０ａに内蔵される制御回路５０は、例えば、１チップ又は数チップの半導体集積回路（ＩＣ）により構成されている。【００６２】
本実施例５のその他の構成は、実施例１の図３と同様である。【００６３】
（実施例５の動作）
本実施例５の制御回路内蔵のパワーモジュール１０Ｄは、実施例１の図３と同様の動作を行う。【００６４】
（実施例５の効果）
本実施例５のパワーモジュール１０Ｄよれば、実施例１の図３と同様の効果がある。更に、本実施例５のパワーモジュール１０Ｄは、制御回路５０がパッケージ１０ａに内蔵されているので、電源回路等に使用する場合に、外付けの制御回路が不要になり、種々の回路への適用が容易になる。【００６５】
（実施例１〜５の変形例）
本発明は、上記実施例１〜５に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｆ）のようなものがある。
（ａ）  パワーモジュール１０，１０Ａ〜１０Ｄに内蔵されるパワー半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２５に限定されず、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ等であってもよい。パワー半導体素子の数は、複数でもよい。又、その他のダイオードや抵抗、容量等の素子が内蔵されていてもよい。
（ｂ）  電流遮断用のスイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴ２２，２５以外のスイッチ素子を使用できる。
（ｃ）  抵抗２３，２６を電流検出素子として使用する場合、その挿入位置は実施例１，２，４，５に限定されない。パワー半導体素子に直列に挿入され、その両端の電圧が出力できればよい。
（ｄ）  電流検出手段に用いる素子としては、パワー半導体素子を流れる電流を検出できるものであればよく、例えば、ホール素子等も使用可能である。
（ｅ）  制御回路５０の構成は図３に示した構成に限定されず、電流検出信号Ｓ１５等から短絡障害を判定してスイッチに制御信号Ｓｉ２を出力できればよい。
（ｆ）ＭＯＳＦＥＴ２１に何らかの故障が発生したときに、電流遮断用のスイッチであるＭＯＳＦＥＴ２２にＭＯＳＦＥＴ２１の役割をさせる構成も可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０，１０−１，１０−２，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ    パワーモジュール
１０ａ      パッケージ
２１，２２，２５      ＭＯＳＦＥＴ  
２３，２６      抵抗
２４      感温素子      
５０      制御回路
５３      比較回路
５４      ラッチ回路
【図１】
2017175326.tif 000003
【図２】
2017175326.tif 000004
【図３】
2017175326.tif 000005
【図４】
2017175326.tif 000006
【図５】
2017175326.tif 000007
【図６】
2017175326.tif 000008
【図７】
2017175326.tif 000009
【図８】
2017175326.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月26日(2016.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を導通／遮断するスイッチング用のパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の動作状態を検出して検出信号を出力する検出手段と、
前記パワー半導体素子と同じ、又は、より低い動作速度が許容されたスイッチ特性を有し、前記パワー半導体素子に直列に接続され、前記検出信号に基づき生成される制御信号に応答して、前記パワー半導体素子の通常動作時には導通状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を導通させ、前記パワー半導体素子の短絡障害発生時には遮断状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を遮断する電流遮断用のスイッチと、
がパッケージに収容されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記検出手段は、
前記パワー半導体素子に流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出手段であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに直列に接続された抵抗を有し、該抵抗の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに直列に接続された抵抗を有し、前記スイッチと前記抵抗とを含む回路の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記電流検出手段は、
前記スイッチに設置された電流検出用端子に直列に接続された抵抗を有し、該抵抗の両端の電圧を前記電流検出信号として出力することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記検出手段は、
前記パワー半導体素子の動作時に発生する温度を検出して温度検出信号を出力する温度検出手段であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記温度検出手段は、
前記パワー半導体素子の近傍の温度によって電気特性が変化する、サーミスタを含む感温素子であることを特徴とする請求項５記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パッケージの内部又は外部に設けられた制御回路を有し、
前記制御回路は、
前記検出信号が所定の値を超えた場合に、前記パワー半導体素子に短絡障害が発生したと判定して、前記制御信号を生成する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のパワーモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明のパワーモジュールは、電流を導通／遮断するスイッチング用のパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の動作状態を検出して検出信号を出力する検出手段と、前記パワー半導体素子と同じ、又は、より低い動作速度が許容されたスイッチ特性を有し、前記パワー半導体素子に直列に接続され、前記検出信号に基づき生成される制御信号に応答して、前記パワー半導体素子の通常動作時には導通状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を導通させ、前記パワー半導体素子の短絡障害発生時には遮断状態となって前記パワー半導体素子を流れる電流を遮断する電流遮断用のスイッチと、がパッケージに収容されていることを特徴とする。
発明の効果
［０００９］
本発明のパワーモジュールによれば、次の（ｉ）、（ｉｉ）のような効果が得られる。
（ｉ）  電流遮断用のスイッチをパワー半導体素子に直列に接続してパワーモジュールのパッケージ内に設けているので、そのパワー半導体素子の短絡電流を瞬時に遮断することができる。
（ｉｉ）  パワー半導体素子の動作状態を検出する検出手段をパワーモジュルのパッケージ内に設けているので、パワー半導体素子の短絡障害発生時の検出を、外部の検出手段を必要としないで容易に行える。
［００１０］
以上より、パワーモジュール内のパワー半導体素子に短絡障害が生じた時に、瞬時に短絡電流を遮断して急激な温度上昇を防ぐことが可能になる。
図面の簡単な説明
［００１１］
［図１］図１は、本発明の実施例１におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
［図２］図２は、図１の適用例１を示す電源回路における概略の回路図である。
［図３］図３は、図１の適用例２を示す制御回路付きパワーモジュールにおける概略の回路図である。
［図４］図４は、本発明の実施例２におけるパワーモジュールを示す概略の回路図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
ばよいので、ＭＯＳＦＥＴ２１と同じ、又は、より低い動作速度が許容されたスイッチ特性を有し、高速動作は必要ではない。例えば、動作速度は、ＭＯＳＦＥＴ２１より１桁程度以上遅くてもよいので、チップサイズの小型化が可能である。
実施例２
［００３７］
（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２におけるパワーモジュールを示す概略の回路図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
［００３８］
本実施例２のパワーモジュール１０Ａは、実施例１のパワーモジュール１０と比較すると、検出端子１５が、ＭＯＳＦＥＴ２１とＭＯＳＦＥＴ２２との接続点に接続されている点が異なっている。検出端子１５と電流出力端子１２から、ＭＯＳＦＥＴ２２と抵抗２３とを含む回路の両端の電圧を、ＭＯＳＦＥＴ２１の動作状態を検出するための電流検出信号Ｓ１５として取り出す。
［００３９］
本実施例２のその他の構成は、実施例１と同様である。
［００４０］
（実施例２の動作）
本実施例のパワーモジュール１０Ａの動作は、実施例１のパワーモジュール１０の動作と同様である。但し、本実施例２の電流検出信号Ｓ１５は、実施例１のパワーモジュール１０における電流検出信号Ｓ１５と比較すると、ＭＯＳＦＥＴ２２の両端に発生する電圧分だけ大きい。電流検出信号Ｓ１５は、外部に設けられた図示しない制御回路へ与えられ、その制御回路によって制御信号Ｓｉ２が生成され、制御端子１４に入力される。
［００４１］
外部の制御回路は、検出端子１５及び電流出力端子１２間から出力された電流検出信号Ｓ１５が正常な範囲にあると判定した時には、電流導通用の制御信号Ｓｉ２を生成し、制御端子１４に入力する。入力された電流導通用の制御信号Ｓｉ２により、ＭＯＳＦＥＴ２２がオン状態になる。
［００４２］
ＭＯＳＦＥＴ２１に短絡障害が発生すると、ＭＯＳＦＥＴ２２及び抵抗２３に大きな短絡電流が流れ、電流検出信号Ｓ１５が増加する。すると、外部
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月20日(2017.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
前記温度検出手段は、
前記パワー半導体素子の近傍の温度によって電気特性が変化する、サーミスタを含む感温素子であることを特徴とする請求項６記載のパワーモジュール。
【国際調査報告】
2017175326.tif 000011
2017175326.tif 000012
2017175326.tif 000013
2017175326.tif 000014