(57)【要約】  スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御するマイコンとが同一平面上に配置されており、前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とする電力変換装置である。
2014064822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御するマイコンとが同一平面上に配置されており、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング素子は第一の基板に配置されており、前記駆動回路および前記マイコンは第二の基板に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力変換装置であって、
前記第一の基板と前記第二の基板とは異なる種類の基板であること特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４記載の電力変換装置であって、
前記第一の基板は前記第二の基板よりも熱伝導率の高い基板であること特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項３記載の電力変換装置であって、
前記第一の基板と前記第二の基板とは、ワイヤーにより電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項８記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御するマイコンとが同一平面上に配置されており、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１１記載のパワー半導体モジュールであって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１２記載のパワー半導体モジュールであって、
前記スイッチング素子は第一の基板に配置されており、前記駆動回路および前記マイコンは第二の基板に配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１４】
請求項１３記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第一の基板と前記第二の基板とは異なる種類の基板であること特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１５】
請求項１４記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第一の基板は前記第二の基板よりも熱伝導率の高い基板であること特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１６】
請求項１５記載のパワー半導体モジュールであって、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１７】
請求項１６記載のパワー半導体モジュールであって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１８】
請求項１３記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第一の基板と前記第二の基板とは、ワイヤーにより電気的に接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１９】
請求項１８記載のパワー半導体モジュールであって、
前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２０】
請求項１８記載のパワー半導体モジュールであって、
前記駆動回路および前記マイコンは、該金属により覆われていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールおよびこれを搭載した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、産業界をはじめ家電製品にも電動機の速度制御装置として多く採用されている。電力変換装置内のパワー半導体は大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却する構造が採用されている。電力変換装置において冷却を行うに当たっては、冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式によって放熱させているのが一般的である。【０００３】
電力変換装置は、IGBTなどのパワー半導体素子(電力用半導体素子)をスイッチング駆動させることにより電圧・周波数の可変制御が行われるが、小型化のため保護回路などの周辺回路を同一のパッケージに組込んだ半導体モジュール、いわゆるIPM(インテリジェント・パワー・モジュール)が用いられていることが多い。【０００４】
通常これらのパワー半導体素子には動作限界温度が定められており、パワー半導体の動作限界温度を超えてもなお発熱したままで使用すれば、そのパワー半導体素子が破壊する虞がある。
このため、パワー半導体素子を動作限界温度以下で使用し信頼性高く使いこなせるようにパワー半導体素子の温度を検出する検出素子を同一のパッケージに組込んだ半導体モジュールが一般的である。
また、温度検出素子としては、サーミスタや温度検出用のダイオードを組み込んだチップを用いることが一般的である。【０００５】
例えば、特許文献１には、「シリコンチップにパワー半導体素子と温度検出用ダイオードとを設けたパワー半導体装置の温度を検出するパワー半導体装置の温度測定回路であって、  前記パワー素子がｎチャネル型であるときは、温度検出用ダイオードのアノードおよびカソードの電位をパワー半導体素子のエミッタ又はソース電位より負電位に保った状態で、当該アノードおよびカソード間に流した順電流を検出するように構成したもので、パワー半導体素子と温度検出用ダイオードの分離を、絶縁膜を介する高コストな構成ではなく、接合分離による低コストの構成でシリコンチップの温度を検出すること」（特許請求の範囲の請求項１および請求項２）が開示されている。【０００６】
また、特許文献２には、「温度検出手段を有する第１の半導体素子と、自身に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、第１の半導体素子に並列接続された第２の半導体素子とにより構成されると共に、第１及び第２の半導体素子が同一の放熱板に千鳥状に配置された半導体電力変換回路と、第１の半導体素子の温度検出手段から得られる温度情報にもとづき第１及び第２の半導体素子の過熱保護を行う過熱保護回路と、第２の半導体素子の電流検出手段から得られる電流情報にもとづき第１及び第２の半導体素子の過電流保護を行う過電流保護回路と、半導体電力変換回路の出力電流を検出する電流センサーと、過電流保護回路若しくは過熱保護回路の動作時における電流センサーの検出値が予め定められた設定値以下の場合に、半導体電力変換回路の出力電流を抑制する手段とを備えたものであって、複数の半導体素子が並列接続された半導体電力変換装置において、一方の半導体素子が故障した場合においても、もう一方の半導体素子を破壊から防止することができ、信頼性の高い半導体電力変換装置を得ることができること」（特許請求の範囲の請求項１）が開示されている。【０００７】
また、特許文献３には、「インバータ装置を、少なくとも直流／交流変換器の一部と制御器の一部をパワーモジュールで構成したインバータ基本部と、信号接続端子を含む入力／出力インタフェース部を備えたＩ／Ｏブロック部とを含む２つ以上の分離可能なブロックで構成し、インバータ基本部を、複数のパワー半導体が実装された第1の基板と、マイクロコンピュータとＩ／Ｏブロックとの通信回路が実装された第２の基板と、コンデンサが実装された第３の基板とで構成して、このうち第１の基板と、第２の基板とを１つのパッケージ内に実装したパワーモジュールとして構成」（特許請求の範囲の請求項１）する点について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１９９４９０号
【特許文献２】特許第４１７７３９２号
【特許文献３】特許第３３３２８１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、段落［００４１］に、シリコンチップにパワー半導体素子と温度検出用ダイオードとを設けたパワー半導体装置の温度を検出する場合に、温度検出用ダイオードのアノードおよびカソードの電位を、パワー半導体素子が有する複数の端子のうち低電位側の端子電位より、負電位に保った状態で、アノードおよびカソード間に流した順電流を検出するようにしたもので、パワー半導体素子と温度検出用ダイオードの分離を、絶縁膜を介する高コストな構成ではなく、接合分離による低コストの構成でシリコンチップの温度を高精度で検出することが開示されている。【００１０】
さらに、段落［００５２］には、算出したシリコンチップ温度Ｔｃが第１の所定温度Ｔ１を超えているか否かを判定し、Ｔｃ≦Ｔ１であるときには正常状態であると判定して、そのままタイマ割込処理を終了する。Ｔｃ＞Ｔ１であるときにはステップＳ４に移行して、算出したシリコンチップ温度Ｔｃが第2の所定温度Ｔ２を超えているか否かを判定し、Ｔｃ≦Ｔ２であるときにはステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、現在のＩＧＢＴ５又は６のゲートに供給しているゲート信号のスイッチング周波数を１／２に制限する保護信号Ｓｐ１をゲートドライバＩＣ７又は８に出力してからタイマ割込処理を終了し、所定のメインプログラムに復帰する。ステップＳ４でＴｃ＞Ｔ２であるときにはステップＳ６に移行して、ＩＧＢＴ５又は６に供給しているゲート信号を停止させる保護信号Ｓｐ２をゲートドライバＩＣ７又は８に出力してからタイマ割込処理を終了し、所定のメインプログラムに復帰する点が開示されている。【００１１】
しかし、第１の所定温度Ｔ１および第２の所定温度Ｔ２は、ユーザが設定変更できる構成ではなく、あくまでパワー半導体の製造メーカ側が予め決定した温度であり、ユーザ側で任意に設定変更できる構成ではない。【００１２】
また、特許文献２の段落［００１２］には、過熱保護回路５は、温度検出用ダイオード３に順方向電圧を発生させるための定電流源５ａと、温度検出用ダイオード３の順方向電圧と予め定められた基準電圧値とを比較する過熱判定用比較回路５ｂと、ＩＧＢＴ１が過熱状態と判定された場合にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる論理反転回路５ｃと、過熱状態を上位ＣＰＵ７に伝達するためのバッファ５ｄにより構成されることが開示されている。
すなわち、温度検出用ダイオード３の順方向電圧が予め定められた基準電圧値に達した場合には、過熱状態と判定し自動的にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる構成であり、パワー半導体素子ＩＧＢＴを超えてはならない温度、すなわち予め定められた一つの基準電圧値に相当する温度から保護する目的が開示されている。【００１３】
また、段落［００１６］には、このように、過熱保護回路５と過電流保護回路６を備えることにより、ＩＧＢＴの過熱破壊や過電流破壊から防ぐことができ、信頼性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能となる旨が開示されている。【００１４】
しかし、予め定められた基準電圧値は、ユーザが設定変更できる構成ではなく、あくまでパワー半導体の製造メーカ側が予め決定した温度である。段落から、予め定められた基準電圧値はパワー半導体素子ＩＧＢＴを超えてはならない温度から保護する目的のもので、IGBTを過熱破壊から保護するための重要な基準電圧であることが明示されている。【００１５】
特許文献１および特許文献２のいずれも、作る側の論理で製作されたパワー半導体モジュールについて開示されているのみで、パワー半導体チップの検出温度設定をユーザに開放する点についての開示はなく、使う側であるユーザの立場に立って製作されたパワー半導体モジュールに関する開示はない。【００１６】
また、特許文献３には、パワー半導体チップが実装された第１の基板１とコア用マイクロコンピューター２１が実装された第２の基板２と端子台３１、電源投入時に流れる過大電流を抑制するための突入抑制抵抗３３、また平滑コンデンサ３２が実装された第３の基板３とパーソナルコンピューター９が実装されたＩ／Ｏブロック部ＩＯＢで構成されるインバータの制御装置について開示されている。
段落［００１７］には、インバータ基本部ＣＯＲは、第１の基板１、第２の基板２及び第３の基板３からなり、第１の基板１と第２の基板２で、パワーモジュールＩＳＰＭを構成し、このモジュールＩＳＰＭ内の第２の基板に、Ｉ／Ｏブロック部ＩＯＢが接続される点が記載されている。
つまり、特許文献３は、発熱量が極めて大きいパワー半導体チップを実装した第１の基板１からの熱の伝導影響を小さくすることとコア用マイクロコンピューター２１や記憶素子２７などへのパワー半導体チップのスイッチングに起因した伝導・放射ノイズの影響を無視できるようにする目的で、第１の基板１の上に空間距離を確保するように第２の基板２が搭載される二階構造の構成が開示されている。しかし、熱やノイズの影響を回避することを優先的に考慮すれば、十分な空間距離を確保するために構成される二階構造は、当然パワーモジュールＩＳＰＭの高さを犠牲にし、高くせざるを得ないという問題が発生することは自明である。
この事は、ひいては、当該パワーモジュールＩＳＰＭを搭載した場合、電力変換装置の高さ寸法も大きくなるという当然の結果をもたらす。【００１７】
さらに、段落［００２１］から段落［００２４］には、第２の基板に、図１１の従来例で説明した電源・センサー部１１０や制御・入出力部１２０に相当する回路が実装されることが開示されている。すなわち、電源・センサー関係として、各種の直流電圧を作成する電源回路２２、主回路の電流検出部２３、電圧検出部２４、温度検出部２５及びインバータ１３及びサイリスタ１２にドライブ信号を供給するドライブ回路２６が実装される。一方、制御関係としてコア用マイクロコンピュータ２１、記憶素子２７、及び通信回路２８が実装される。また、更にこの第２の基板にはコネクタとしてＣＮ１、ＣＮ２、ＣＮ３が実装される。コネクタＣＮ１には、通信回路２８が接続されており、このコネクタＣＮ１を介して、各種のＩ／Ｏブロック部である７、８または９と、送信信号ＴＸと受信信号ＲＸによる信号伝送が行われるとしている。また、これらのＩ／Ｏブロック部には、電源回路２２から電源ＰＷが供給される。最小Ｉ／Ｏ回路６も広義のＩ／Ｏブロック部の一種であり、通信回路２８を介さず、コア用マイクロコンピュータ２１と間で、コネクタＣＮ３を通して信号のやり取りがされる。この信号の一つは入力信号６Ｓ１であり、他は出力信号６Ｓ２である。また、同様に電源回路２２からの電源６Ｓ３が供給される。コア用マイクロコンピュータ２１は、ハードウエア上、プログラムを記憶するＲＯＭであるフラッシュメモリ２１Ａ、ＲＡＭ２１Ｂ、タイマ２１Ｃなどからなる。ここにフラッシュメモリは、コネクタＣＮ２を通して与えられる電源（ＶＰＰ−ＧＮＤ間）と信号ＲＥＳ、ＭＤにより書き込みモードが選択されて、そのプログラムデータがコネクタＣＮ１と通信回路２８を通して、例えばパーソナルコンピュータ９などからシリアル転送され、書き込みが行われる、いわゆるダウンロードされることが開示されている。【００１８】
しかし、図１から第１の基板１と第２の基板２と第３の基板３との接続に、多数のはんだ接続用のピン端子が必要であり、更に第２の基板２上にはコネクタとしてＣＮ１とＣＮ２とＣＮ３を実装しており、パワーモジュールＩＳＰＭを構成する第１の基板１と第２の基板２において、第１の基板１には第２の基板２とをはんだ接続するための多数のピン端子が必要になり、更に第２の基板２にも３個のコネクタが必要であり、パワーモジュールＩＳＰＭの小型化の大きな障壁となる。                  
【課題を解決するための手段】
【００１９】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御するマイコンとが同一平面上に配置されており、前記スイッチング素子と前記駆動回路および前記マイコンとの間に金属が配置されていることを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電磁ノイズまたは温度の影響の少ないパワー半導体モジュールまたはこれを搭載した電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における１アーム構成図の一例である。
【図２】本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における詳細なアーム構成図の一例である。
【図３】本発明に係る電力変換装置の複合モジュールのアーム構成図の一例である。
【図４】本発明に係る電力変換装置の順変換器部と逆変換器部のアーム構成図の一例である。
【図５】温度検出用ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関を示す特性図である。
【図６】不揮発メモリに予め格納されている温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とその電圧に相当する温度データの一例である。
【図７】本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の一例である。
【図８】本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の他の一例である。
【図９】本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の他の一例である。
【図１０】本発明に係る電力変換装置の主回路構成図である。
【図１１】電力変換装置の構成部品配置図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２２】
以下図面を用いて本発明について説明する。なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、本発明は図示例に限定されるものではない。【００２３】
図1は、本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における1アーム構成図の一例である。
三相出力端子Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームに対応した主素子がＵ相は上アームであるＵＰと下アームであるＵＮで構成されている。
また、Ｕ相の半導体パワー半導体素子チップ上に設けられた上アームパワー半導体素子チップの温度検出用のダイオードが９ＵＰであり、下アームパワー半導体素子チップの温度検出用のダイオードが９ＵＮである。
当該ダイオードには、ドライブ回路１６の各々の定電流回路１８ＵＰと１８ＵＮからそれぞれ定電流が供給され、温度変化による順方向降下電圧の変化を検出する。そして、ドライブ回路１６内で検出した当該ダイオードの各々の両端電圧である検出電圧値ＶＦ−ＵＰとＶＦ−ＵＮはマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送され、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００２４】
本発明では、順方向降下電圧が変化する特性を利用してパワー半導体素子チップの温度を検出する点に特徴の一つを有する。このとき、マイコンＭＣＵ２からドライブ回路１６にＰＷＭ信号が伝送される。【００２５】
次に、ダイオード９ＵＰ、９ＵＮの電圧検出値ＶＦ−ＵＰ、ＶＦ−ＵＮからパワー半導体素子チップの温度を算出する方法について、図５を用いて説明する。
図５は、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関を示す図である。図５に示されているように、ダイオードの電圧検出値ＶＦ−ＵＰあるいはＶＦ−ＵＮから、図５に示した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関を示す特性式ＶＦ＝−Ａ＊Ｔ＋Ｂを用いて、当該両端電圧の検出値に相当するパワー半導体素子チップの温度を演算することができる。
あるいは、予め演算で求めておいた温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度との相関データとして不揮発性のメモリに記憶させておき、不揮発性のメモリから逐次読み出す構成にしても本発明の意図を損なうものではなく、図５の特性式を用いる場合と同様の効果を奏することができる。
マイコンの負荷率から判断しても、毎回ダイオードの電圧検出値毎に特性式ＶＦ＝−Ａ＊Ｔ＋Ｂに従ってマイコンＭＣＵ２に演算させるより、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度の相関データとして予め不揮発性のメモリに記憶させ、当該電圧の検出値毎に不揮発性のメモリから検出電圧値に対応した温度を逐次読み出す構成にしておく方が、より現実的なシステム構成であると言える。【００２６】
図６に、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度の相関データに関する不揮発性メモリ内容の一例を示す。
ダイオードの電圧検出値ＶＦ−ＵＰあるいはＶＦ−ＵＮから求めた温度検出用ダイオードの検出電圧値を図６のメモリに対応させて、推定温度値を算出することができる。図６に示したメモリは、実際には二進数で格納されているが、理解し易くするため十進数で記載しているだけで、本発明の意図を損なうものではない。
また、記載された各数値は一例であり、この数値に限定されるものでもない。
【実施例２】
【００２７】
図２は、本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における詳細なアーム構成図の一例である。【００２８】
三相の全アームＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮについて、各温度検出用ダイオード９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮにドライブ回路１６から定電流が供給され、全アームの温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦがマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送される構成になっている。この全アームの温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦに基づき、パワー半導体素子チップの温度を算出することができる。
【実施例３】
【００２９】
図３は、本発明に係る電力変換装置の複合モジュールのアーム構成図に関する他の実施例である。【００３０】
パワー半導体を構成する複合モジュール１３内の順変換器部1と突入抑制回路１２と逆変換器部３の温度検出用ダイオードを実装した全パワー半導体素子が開示されている。複数個のパワー半導体素子で構成された半導体のチップ上に構成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮ、９ＴＨ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮの各々に対し、駆動回路１０内に実装された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦをマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送され、伝送された当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦに対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。
【実施例４】
【００３１】
図４は、本発明に係る電力変換装置の順変換器部と逆変換器部におけるアーム構成図の他の実施例である。【００３２】
実施例４は、図３の突入抑制回路１２と回生制動回路２６と逆変換器部３とが、順変換器部１と分離されてそれぞれ異なるパワー半導体モジュールに備えられている点が異なる。つまり、図３の順変換器部１に対応する構成はパワー半導体モジュール２１に備えられており、突入抑制回路１２と回生制動回路２６と逆変換器部３とが順変換器部１とに対応する構成は、パワー半導体モジュール２１とは分離しパワー半導体モジュール２０に備えられている。これに伴い、温度検出用ダイオードも、半導体のチップ上に構成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮと半導体のチップ上に構成された温度検出用ダイオード９ＴＨ、９ＢＲ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮとに分離してそれぞれ構成されている。【００３３】
パワー半導体モジュール２１内の半導体のチップ上に構成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮの各々に対し、駆動回路２７内に実装された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦをマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送し、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出することができる。【００３４】
また、パワー半導体モジュール２０内の半導体のチップ上に構成された温度検出用ダイオード９ＴＨ、９ＢＲ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮの各々に対し、駆動回路１０内に実装された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦをマイコンのＡ／Ｄ変換器に伝送し、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出することができる。【００３５】
温度検出用のダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮと９ＴＨ、９ＢＲ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮの順方向降下電圧ＶＦの温度特性は、パワー半導体モジュール２０であるかパワー半導体モジュール２１であるかにより、異なった特性のものを選定しても、同一の特性のものを選定してもよい。各々のパワー半導体モジュールのパワー半導体素子チップの特性が異なる場合には、異なる特性式を用いてパワー半導体素子チップの温度を算出する方が高精度な算出が可能となる。また、特性が大きく異ならない場合は、共通の特性式を用いてパワー半導体素子チップの温度を算出する方が、メモリが少なくて済む。
【実施例５】
【００３６】
図７は、本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の一例である。【００３７】
図７（ａ）は、パワー半導体１３を構成する絶縁基板２２上にＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮなどの主スイッチング素子とドライブ回路１６とマイコンＭＣＵ２とコネクタ１１とを実装した例である。もちろん、その他の半導体チップやＩＣも同様に実装しても問題はない。
コネクタ１１で接続される上位のマイコンＭＣＵ１からの伝送信号により、マイコンＭＣＵ２がドライブ回路１６にＰＷＭ信号を伝送し、ドライブ回路１６から図示していない銅箔パターンやアルミワイヤーにより各ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮなどの主スイッチング素子を駆動する。【００３８】
絶縁基板２２には、左側にノイズや温度などに比較的強い主スイッチング素子を、右側にノイズや温度などに弱いドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２を配置している。絶縁基板２２の全面は、熱伝導率の高い１枚の絶縁基板（例えば、アルミナ：Ａｌ２Ｏ３、窒化珪素：Ｓｉ３Ｎ４、窒化アルミ：ＡｌＮなど）で構成されている。【００３９】
図７（ｂ）は、絶縁基板２２の左側に実装された主スイッチング素子と右側に実装されたドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などとの間に金属板１９が設けられている点を特徴とする。これは、各主スイッチング素子からでる急峻な電圧変化（ｄＶ／ｄｔ）に起因したノイズからドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などの誤動作を防止するために設けられたもので、主スイッチング素子とドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを電磁ノイズから遮蔽する目的で設けられている。【００４０】
例えば、絶縁基板２２の左側に実装された主スイッチング素子の定格電流が大きく、それに伴い各主スイッチング素子からでる急峻な電圧変化（ｄＶ／ｄｔ）に起因したノイズレベルが大きい場合や、絶縁基板２２の左側に実装された主スイッチング素子と絶縁基板の右側に実装されたドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２との物理的距離が短い場合に、両者の間に金属板１９を設けることで、各主スイッチング素子からの電磁ノイズや温度から遮蔽することができる。【００４１】
図７（ｃ）は、主スイッチング素子とドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などとの間に設けられた金属板１９を折り曲げて、絶縁基板２２の表面に対してドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２を覆うように構成した点に特徴を有する。これは、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを電磁ノイズから遮蔽するために設けた金属板１９ａによる遮蔽効果を更に上げる目的で折り曲げたものである。
ここで、折り曲げられた金属板１９ａは、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを全て覆う構造であっても良いし、一部のみを覆う構造でもよい。また、コネクタ１１も覆う構造にし、コネクタ１１の上部に位置する金属板１９ａの部分のみ切り欠き部を設け、その切り欠き部からコネクタを突き出させる構造であつてもよい。この場合にも、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを電磁ノイズから遮蔽するという同様の効果が得られる。
図７（ｃ）のように金属板を折り曲げる実施例によっては、図７（ｂ）よりも更に遮蔽効果を上げることができる点で、有効な方法であるといえる。
ここで、金属板１９、１９ａの材質は、例えば、銅やアルミや鉄などの金属で構成されていれば良い。【００４２】
次に、図７（ｄ）は、（Ｃ）における線分ＡＢでの断面図であり、折り曲げられた金属板１９ａがドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２を覆う構造であることが読み取れる。【００４３】
図１０は、本発明に係る電力変換装置の主回路構成図である。【００４４】
ここで、金属板１９ｂのはんだ接続は、絶縁基板２２のいかなる回路とも接続していない状態を示したものであるが、主スイッチング素子からの電磁ノイズ遮蔽や温度遮蔽からの効果を上げるため、図１０に示した主回路における電解コンデンサ２の基準電位であるＮに接続すれば効果が得られる。さらに、図１０に示した主スイッチング素子の共通電位であるＮ１に接続すればより有効な効果が達成できる。【００４５】
以上のように、主スイッチング素子とドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などとの間に金属板を配置するような図７の形態とすることで、特許文献３で開示されているように、熱やノイズの影響を回避するために第１の基板１の上に十分な空間距離を確保するように第２の基板２を搭載する二階構造の構成にする必要がなくなり、パワーモジュールＩＳＰＭの高さを犠牲にし、高くせざるを得ないという問題を回避することが可能となる。
【実施例６】
【００４６】
図８は、本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の他の一例である。【００４７】
図７との相違は、主スイッチング素子が実装された左側には通常のガラスエポキシ基板２２ａよりも熱伝導率の高い基板２２を使用し、発熱量が小さいドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などが実装された右側には通常のガラスエポキシ基板２２ａ（例えば、ＦＲ−４やＦＲ−５）を使用し、これらの基板を一体成型した１枚の絶縁基板で構成されている点にある。これにより、発熱量が極めて大きい主スイッチング素子を実装した絶縁基板からの熱の影響を小さくすることができるという効果を奏する。【００４８】
発熱量が極めて大きい主スイッチング素子を実装した基板２２（例えば、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミなど）の高い熱伝導率に比べ、発熱量が小さいドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを実装したガラスエポキシ基板２２ａ（例えば、ＦＲ−４やＦＲ−５）の熱伝導率は極めて低い。このため、発熱量が極めて大きい主スイッチング素子を実装した基板の熱は、熱伝導率の低いドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを実装したガラスエポキシ基板側には伝導せず、大半が前記基板２２よりさらに熱伝導率の高い半導体モジュールの熱伝導用銅ベース２８（あるいはアルミベース）に伝導することになる。このため、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２は、発熱量が極めて大きい主スイッチング素子の発生する熱の影響を最小限に低減することが可能であり、熱伝導による温度上昇の懸念を回避可能である。【００４９】
ここで、金属板１９ｃのはんだ接続は、絶縁基板２２のいかなる回路とも接続していない状態を示したものであるが、主スイッチング素子からの電磁ノイズ遮蔽や温度遮蔽からの効果を上げるため、図１０に示した主回路における電解コンデンサ２の基準電位であるＮに接続すれば効果が得られる。
さらに、図１０に示した主スイッチング素子の共通電位であるＮ１に接続すればより有効な効果が達成できる。【００５０】
また、本実施例では、金属板１９ｃを金属板１９ａの４箇所に設けているが、対角上に２箇所でも、左右どちらかに２箇所でも、左右どちらかに１箇所ずつ設けても同様の効果が得られる。さらに、本実施例は、記載した金属板１９ｃの個数を限定するものではない。【００５１】
以上のように図８の形態とすることで、特許文献３で開示されているように、熱やノイズの影響を回避するために第１の基板１の上に十分な空間距離を確保するように第２の基板２を搭載する二階構造の構成にする必要はなく、パワーモジュールＩＳＰＭの高さを犠牲にし、高くせざるを得ないという問題を回避することが可能である。【００５２】
もちろん、基板２２として、金属フィラーを含有させたエポキシ系の基材で構成しても構わない。
【実施例７】
【００５３】
図９は、本発明に係る電力変換装置の半導体モジュール内部における部品配置の他の一例である。【００５４】
各ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮからなる主スイッチング素子は発熱量が極めて大きく、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などは発熱量が小さい。
このため、図９（ａ）は、主スイッチング素子が実装された左側には熱伝導率の高い基板２２を使用し、発熱量が小さいドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などが実装された右側には通常のガラスエポキシ基板２２ｂ（例えば、ＦＲ−４やＦＲ−５）を使用し、これらの基板を分離して構成された絶縁基板である点を特徴の一つとする。これにより、発熱量が極めて大きい主スイッチング素子を実装した絶縁基板からの熱の影響を小さくすることができる。【００５５】
本実施例では、熱伝導率の高い基板２２と熱伝導率の低いガラスエポキシ基板２２ｂを距離ｄだけ離して配置してあるが、距離ｄをゼロとしてもよい。
また、各々の絶縁基板２２と２２ｂとの信号の伝送のために、アルミワイヤー２５が各々の絶縁基板に設けられたパッドパターン２４に超音波接続される。
図９（ｂ）は、図７（ｂ）で開示したように、電磁ノイズから遮蔽する目的で金属板１９が設けられている点を特徴とする。
図９（Ｃ）は、図７（Ｃ）で開示したように、電磁ノイズから遮蔽するために金属板１９ａが設けられているが、更に遮蔽効果を上げる目的で金属板は折り曲げられた構造であり、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを覆う構造にしてある点を特徴の一つとする。【００５６】
ここで、折り曲げられた金属板は、実施例６と同様に、ドライブ回路１６やマイコンＭＣＵ２などを全て覆う構造でなくとも一部を覆う構造でもよい。【００５７】
図７（Ｃ）同様に、上記図９（ｂ）に対し、更に遮蔽効果を上げる点で有効な方法であるといえる。
ここで、金属板１９、１９ａの材質は、銅やアルミや鉄などの金属で構成されていれば良い。【００５８】
図９（ｄ）は、図９（Ｃ）における線分ＣＤでの断面図であり、折り曲げられた金属板１９ａの構造が読み取れる。
ここで、金属板１９ｄのはんだ接続は、絶縁基板２２のいかなる回路とも接続していない状態を示したものであるが、主スイッチング素子からの電磁ノイズ遮蔽や温度遮蔽からの効果を上げるため、図１０に示した主回路における電解コンデンサ２の基準電位であるＮに接続すれば効果が得られる。さらに、図１０に示した主スイッチング素子の共通電位であるＮ１に接続すればより有効な効果が達成できる。【００５９】
以上のように図９の形態とすることで、特許文献３で開示されているように、熱やノイズの影響を回避するために第１の基板１の上に十分な空間距離を確保するように第２の基板２を搭載する二階構造の構成にする必要はなく、パワーモジュールＩＳＰＭの高さを犠牲にし、高くせざるを得ないという問題を回避することが可能である。
【実施例８】
【００６０】
図１０は、本実施例に係る電力変換装置１７の主回路構成図を示すものである。
１は交流電力を直流電力に変換する順変換器、２は平滑用コンデンサ、３は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、４は交流電動機である。６は順変換器１と突入抑制回路１２と逆変換器３などを備えるパワー半導体モジュール１３を冷却するための冷却ファンである。
ＲＢは、回生制動回路２６に直列に接続された回生制動抵抗器である。
７は電力変換装置１７への各種制御データを設定、変更および異常表示が行えるデジタル操作パネルである。制御回路５には、マイコン(制御演算装置)が実装されており、マイコンであるＭＣＵ１は、各種の制御データが格納された記憶部の記憶データからの情報に基づいて演算が行われ、デジタル操作パネル７から入力される各種の制御データに応じて装置全体に必要な制御処理が行えるように構成されている。なお、このデジタル操作パネル７には異常が発生した場合にその異常や警告が表示される構成になっている。デジタル操作パネル７には異常表示が可能な表示部が設けられており、電力変換装置における異常が検出されると当該表示部に表示される。本実施例の操作パネル７としては、特に種類が限られるものではないが、デジタル操作パネルとして装置使用者の操作性を考慮して表示部の表示を見ながら操作が行えるように構成している。
なお、表示部は必ずしも操作パネル７と一体に構成する必要はないが、デジタル操作パネル７の操作者が、表示を見ながら操作できるように一体構成とすることが望ましい。
操作パネル７から入力された電力変換装置の各種制御データは図示しない記憶部に格納される。【００６１】
８は電源回路で、回路８内にはスイッチングレギュレータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が搭載されており、電力変換装置の運転に必要な各直流電圧を生成し、これらを各構成に対して供給している。
１０は逆変換器を駆動する駆動回路である。駆動回路１０内には、主スイッチング素子を駆動するドライブ回路１６（図示せず）とマイコンＭＣＵ２が組み込まれており、マイコンＭＣＵ２は制御回路５からの指令に基づいて、ドライバ回路１６に逆変換器３のスイッチング素子を駆動する信号などを送受信（通信）している。【００６２】
１１はパワー半導体モジュール１３に設けられたコネクタであり、電源回路８に接続され種々の入出力信号を制御回路５と送受信している。【００６３】
９は半導体パワー半導体素子チップ上に形成された温度検出用のダイオードであり、例えば、図３における９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮと９ＴＨ、９ＢＲ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮに相当する。
例えば、パワー半導体素子を構成するシリコンチップ上に温度検出用のダイオードが形成された構成である。もちろんシリコンチップのみに限定されたものではない。
温度検出用ダイオード９には、図示していないドライブ回路１６から定電流が供給され、温度変化による順方向降下電圧が変化する特性を利用してパワー半導体素子チップの温度を検出する。
この温度特性を利用し、当該ダイオードの両端電圧をドライブ回路１６内で検出する構成になっている。【００６４】
例えば、デジタル操作パネル７から、パワー半導体素子チップの検出温度である第１の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定できる構成にしてある。
Ｗ−ＯＨは警告予告温度に達したことを示す出力信号であり、Ａ−ＯＨは警告温度に達したことを示す出力信号である。【００６５】
例えば、第１の温度設定値に達し警告予告温度信号Ｗ−ＯＨが出力された場合には、電力変換装置の出力は遮断されず(警告予告)、第２の温度設定値に達し警告温度信号Ａ−ＯＨが出力された場合には、電力変換装置の出力が遮断される構成にしている。
すなわち、パワー半導体の製造メーカ側が予め決定したユーザ側で変更できない固定の温度に対し、パワー半導体素子チップの検出温度を設定可能にすることにより、ユーザに開放することで、設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができ、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、電力変換装置の状況を的確に判断し、次のアクションをユーザが実施できる点にある。【００６６】
ユーザがデジタル操作パネル７から設定したパワー半導体素子チップの第１の温度設定値およびパワー半導体素子チップの第２の温度設定値とその際のパワー半導体素子チップにおける温度検出用ダイオード順方向降下電圧値の一例を図に示した。
ユーザにて設定されたパワー半導体素子チップの第１の温度設定値が８０℃の場合、この設定温度に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値は、図６の不揮発性メモリから読み出された値、すなわちＶＦ＝１．７６９（Ｖ）であることが判る。【００６７】
また、ユーザにて設定されたパワー半導体素子チップの第２の温度設定値が１４０℃の場合、この設定温度に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値は、図６の不揮発性メモリから読み出された値、すなわちＶＦ＝１．５３８（Ｖ）であることが判る。
温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値を小数点以下３桁まで記載したが、３桁に限定するものではない。【００６８】
第１の温度設定値が８０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１．７６９（Ｖ）以上となった時点で、電力変換装置の出力は遮断されず、当該温度値と警告予告温度異常と識別できる記号あるいは文字を操作パネル７上の表示部に表示し、さらに警告予告温度に達したことを示す出力信号Ｗ−ＯＨを制御回路５から出力する。【００６９】
また、第２の温度設定値が１４０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１．５３８（Ｖ）以上となった時点で、電力変換装置の出力を遮断し、当該温度値と警告温度異常と識別できる記号あるいは文字を操作パネル７上の表示部に表示し、警告温度に達したことを示す出力信号Ａ−ＯＨを制御回路５から出力する。【００７０】
例えば、警告予告温度異常を意味するＷ−ＯＨ（ワーニング-オーバーヒート）であっても良い。この表示内容については、その表示の意味が装置使用者に区別できる形態であれば十分であり、表示文字を限定するものではない。【００７１】
このようにデジタル操作パネル７に結果を表示することにより、操作者にパワー半導体素子チップの温度状況を知らしめることができるため、その表示内容から状況を的確に判断することができる。【００７２】
もちろん、パワー半導体素子チップには動作限界温度が規定されている（例えば、Ｓｉチップの場合は１５０℃）ため、この温度以上にはデジタル操作パネル７から設定できないように、予め温度設定範囲を制限しておけば、パワー半導体素子チップを熱破壊させる心配を回避可能である。【００７３】
ユーザが欲しい情報は、パワー半導体素子チップが何度で動作しているかであり、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦ値ではない。この意味で、ユーザが直接デジタル操作パネル７からパワー半導体素子チップの温度を直接設定できる点にある。【００７４】
つまり、過熱保護が動作し電力変換装置が停止するという事象が発生し、システム全体が突然停止してしまう虞を回避させることが可能となる点が重要であり、この点が特徴でもある。【００７５】
また、温度検出用ダイオードの第1の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定できることを開示したが、温度設定値を２個に限定する必要は全くない。
ｎ個の温度を設定値できる構成であっても本発明の意図を損なうものではない。
電力変換装置であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。【００７６】
図１１は、電力変換装置の構成部品配置図の一例である。
複合モジュール１３には、順変換器１と逆変換器３及び駆動回路１０が一個のモジュール内に実装されている。複合モジュールとして構成されたパワー半導体１３を冷却する冷却フィン１４と冷却ファン６とを備え、発熱体であるパワー半導体１３からの熱を冷却フィン１４に熱伝導させ、冷却ファン６によって冷却フィンに空気を送り熱交換させて放熱させる構造となっている。  
８は電源基板で、１５は樹脂モールドケースである。
複合モジュールとして構成されたパワー半導体１３の中には、温度検出用ダイオードが実装されておりパワー半導体素子の温度を検出する。この温度検出用ダイオードには、定電流が供給され、温度により順方向降下電圧が変化する特性を利用し当該ダイオードの順方向電圧を検出する構成である。【００７７】
ダイオードに定電流を流した場合、その順方向降下電圧は温度に比例した線形特性を示すことは一般によく知られた公知技術であり、この特性を図５に示した。【００７８】
以上説明した構成により、パワー半導体素子を動作限界温度以下で使用し、パワー半導体の有効利用を図りつつ、ユーザの利便性を向上できる電力変換装置を提供することができる。すなわち、温度設定値をユーザに開放することで、設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができるため、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、電力変換装置の状況を的確に判断し、次のアクションをユーザが実施できるという効果がある。【００７９】
以上の実施例で示したように、本発明は、ケース内の絶縁基板と、数個のスイッチング素子チップと、数個のスイッチング素子チップ内に個別に設けられた温度検出用のダイオードと、個別に設けられた温度検出用のダイオードに電流を供給する定電流回路と、数個のスイッチング素子を駆動する駆動回路と、駆動回路を制御するマイコンと、を備えて構成されたパワー半導体において、数個のスイッチング素子チップと駆動回路と駆動回路を制御するマイコンを全て絶縁基板上に実装したパワー半導体モジュールと、装置内部の制御回路に設けられた第一のマイコンを有する電力変換装置と、パワー半導体モジュール内部に設けられた第二のマイコンと電力変換装置内部の制御回路に設けられた第一のマイコンとの間の信号伝達を通信で実行し、温度検出用ダイオードの温度検出値を第一のマイコンあるいは第二のマイコンから設定できる電力変換装置により達成できる。
【符号の説明】
【００８０】
１…順変換器、２…平滑用電解コンデンサ、３…逆変換器、４…交流電動機、５…制御回路、６…冷却ファン、７…デジタル操作パネル、８…電源回路、ＶＰＮ…直流電圧、ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮ…主スイッチング素子、９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮ、９ＴＨ、９ＢＲ、９ＵＰ、９ＶＰ、９ＷＰ、９ＵＮ、９ＶＮ、９ＷＮ…温度検出用ダイオード、１０、２７…駆動回路、１１…コネクタ、１２…突入抑制回路、１３…パワー半導体、１４…冷却フィン、１５…モールド樹脂ケース 、１６…ドライブ回路、１７…電力変換装置、１８ＵＰ、１８ＵＮ…定電流回路、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ…金属板、２０…逆変換器側モジュール、２１…順変換器側モジュール、２２…絶縁基板、２２ａ、２２ｂ…ガラスエポキシ基板、２３…シリコンゲル、２４…パッドパターン、２５… アルミワイヤー、２６…回生制動回路、２８…銅あるいはアルミベース、ＶＦ−ＵＰ…Ｕ相上アームＵＰチップの温度検出用ダイオード順方向降下電圧、ＶＦ−ＵＮ…Ｕ相下アームＵＮチップの温度検出用ダイオード順方向降下電圧、ＭＣＵ１、ＭＣＵ２…マイコン、ＲＢ…回生制動抵抗器、ＳＨ…シャント抵抗、Ａ…直線の傾き、Ｂ…直線の切片、＊…乗算演算子、Ｗ−ＯＨ…警告予告温度に達したことを示す出力信号、Ａ−ＯＨ…警告温度に達したことを示す出力信号
【図１】
2014064822.tif 000003
【図２】
2014064822.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014064822.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014064822.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014064822.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2014064822.tif 000015
2014064822.tif 000016
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