(57)【要約】【課題】過電流保護の判定を高精度に行うパワーモジュールの提供を目的とする。【解決手段】本発明のパワーモジュールは、主電極及びセンス電極を有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗Ｒsと、センス抵抗Ｒsの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、主電極を主端子Ｅに接続する第２配線５と、第２配線５の主電極側を第１配線４のセンス抵抗Ｒs側に接続する第１電流経路６と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子Ｅ側に接続する第２電流経路７と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電極及びセンス電極を有する半導体デバイスと、
一端が前記半導体デバイスの前記センス電極に接続され、前記半導体デバイスの主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗と、
前記センス抵抗の他端を制御グランドに接続する第１配線と、
前記主電極を主端子に接続する第２配線と、
前記第２配線の前記主電極側を前記第１配線の前記センス抵抗側に接続する第１電流経路と、
前記第１配線の前記制御グランド側を前記第２配線の前記主端子側に接続する第２電流経路とを備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
前記第１電流経路及び前記第２電流経路は、プリント基板の銅パターンで形成されることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１電流経路及び前記第２電流経路は抵抗器で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
複数の前記半導体デバイスを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記半導体デバイスは、ＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードのいずれかで構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記半導体デバイスは、ＳｉＣを材料とすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに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、半導体デバイスの短絡電流保護回路を備えたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールに搭載されるＩＧＢＴなどの半導体デバイスの短絡電流保護回路は、コレクタ電流のうち、分流されたセンス電流ＩSをセンス抵抗ＲSで電圧変換する。そして、この電圧値ＶSが所定の閾値に達したかどうかをコンパレータなどで比較し、過電流保護レベルに到達したかを判定している（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１２０７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
センス電流ＩSは、半導体デバイスの製造プロセス時に、エミッタ電流ＩEとセンス電流ＩSが所定の比率になるように設計されているが、半導体デバイスの製造プロセスのばらつきによって、センス電流ＩSは一定のばらつきを持つ。その傾向は、センス電流ＩSの値が小さいほどばらつきが小さく、大きいほどばらつきが大きい。センス抵抗ＲSの両端の電圧ＶSはＶS＝ＩS×ＲSであるから、ＩSがばらつくとＶSもばらつくことになり、過電流保護の判定精度が悪くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、高精度に過電流保護の判定を行うパワーモジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のパワーモジュールは、主電極及びセンス電極を有する半導体デバイスと、一端が半導体デバイスのセンス電極に接続され、半導体デバイスの主電流に応じたセンス電流を電圧変換するセンス抵抗と、センス抵抗の他端を制御グランドに接続する第１配線と、主電極を主端子に接続する第２配線と、第２配線の主電極側を第１配線のセンス抵抗側に接続する第１電流経路と、第１配線の制御グランド側を第２配線の主端子側に接続する第２電流経路と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のパワーモジュールでは、第２配線の主電極側を第１配線のセンス抵抗側に接続する第１電流経路と、第１配線の制御グランド側を第２配線の主端子側に接続する第２電流経路と、を備える。センス抵抗における電圧降下と第１電流経路によって分流された主電流による電圧降下の合計値を閾値と比較することにより、過電流保護の判定においてセンス電流のばらつきを軽減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】前提技術に係るパワーモジュールの回路図である。
【図２】ＩC−ＩS特性を示す図である。
【図３】ＩC−ＶS特性を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。
【図５】ＩC−ＶS特性を示す図である。
【図６】実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。
【図７】実施の形態２に係るパワーモジュールの回路図である。
【図８】実施の形態３に係るパワーモジュールの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜前提技術＞
本発明の前提技術となる短絡電流保護回路を備えたパワーモジュールの回路図を図１に示す。図１において、パワーモジュールは、半導体デバイス１たるＩＧＢＴ１と、ＩＧＢＴ１のセンス電極Ｓ−パワーＧＮＤ間に接続されたセンス抵抗ＲSと、センス抵抗ＲSのＩＧＢＴ１側電位ＶSを閾値ＶSCと比較するコンパレータ３と、コンパレータ３の比較結果によってコレクタ電流ＩCが過電流保護レベルに達したか否かを検出する過電流保護レベル検出手段２とを備えている。なお、ＩＧＢＴのコレクタ電極−エミッタ電極間には逆耐圧を担うダイオードが接続される。
【００１０】
センス電極Ｓはコンパレータ３の入力に接続され、コンパレータ３のもう一方の入力は電源ＶSCを介して制御ＧＮＤに接続される。コンパレータ３の出力は過電流保護レベル検出手段２に接続され、ＶSが閾値ＶSCを超えると過電流保護レベルに達したと判定する。
【００１１】
センス抵抗ＲSを流れるセンス電流ＩSは、エミッタ電流ＩEと所定の比率になるように設計されるが、図２に示すように、半導体デバイス１の製造プロセスのばらつきに起因するばらつきが生じる。なお図２の横軸のコレクタ電流ＩCはＩE＋ＩSと等しい。そのため、図３に示すように、センス抵抗ＲSのＩＧＢＴ１側電位ＶS＝ＲS×ＩSにもばらつきが生じ、コンパレータ３で閾値ＶSCと比較するにあたり誤差が生じてしまう。センス電流ＩSのばらつきは、ＩSの値が大きくなるほど大きくなる傾向があり、ＩSの値が小さいとばらつきの度合いも小さい。
【００１２】
（実施の形態１）
そこで、本実施の形態のパワーモジュールでは、電圧降下ＶS＝ＲS×ＩSにバイアスをかけることにより、Ｉsのばらつきを緩和することにした。
【００１３】
＜構成＞
図４に、実施の形態１のパワーモジュールの回路図を示す。本実施の形態のパワーモジュールでは、前提技術で示したパワーモジュールの構成と異なり、センス抵抗ＲSを制御グランドに第１配線４にて接続する。そして、ＩＧＢＴ１のエミッタ電極とパワーモジュールのエミッタ端子Ｅとの間の第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗ＲS側に接続する（電流パス６）。さらに、第１配線４の制御グランド側と第２配線５のエミッタ端子Ｅ側とを接続する（電流パス７）。これ以外の構成は前提技術に係るパワーモジュールと同一であり、図４において図１と同一の構成要素には同一の番号を付している。
【００１４】
すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、エミッタ電極（主電極）及びセンス電極Ｓを有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流ＩSを電圧変換するセンス抵抗ＲSと、センス抵抗ＲSの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、エミッタ電極をエミッタ端子Ｅ（主端子）に接続する第２配線５と、第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗ＲS側に接続する電流パス６（第１電流経路）と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子側に接続する電流パス７（第２電流経路）とを備える。
【００１５】
＜動作＞
エミッタ電極からエミッタ端子Ｅに流れるエミッタ電流ＩEが電流パス６で分流され、電流パス６を流れる分流成分をＩE2、第２配線を流れる電流をＩE1とすると、センス抵抗ＲSのＩＧＢＴ側電位は、ＩE2が流れる電流経路中のインピーダンスによってかさ上げされる。
【００１６】
第１配線４中のインピーダンスをＺ2（抵抗Ｒ、リアクタンスＬ、容量Ｃをそれぞれ含む）とすると、第１配線４の両端にはＺ2×ＩE2の電圧降下が発生するため、センス抵抗ＲSのＩＧＢＴ１側電位はこの分だけかさ上げされて、ＲS×ＩS＋Ｚ2×ＩE2となる。そのため、図５に点線で示した電流パスＡ，Ｂを設けずＶS＝ＲS×ＩSである場合に比べ、実線で示すように、ＶSがＶSCに到達する時点でのＩSのばらつきが小さくなり、過電流保護レベルの検出を高精度化できる。
【００１７】
なお、図４では第２配線のインピーダンスを示していないが、図６に示すようにこれをＺ1とすると、ＩE1、ＩE2はそれぞれ
【００１８】
【数１】
2011228934.tif 000003
【００１９】
【数２】
2011228934.tif 000004
【００２０】
と表される。すなわち、
【００２１】
【数３】
2011228934.tif 000005
【００２２】
【数４】
2011228934.tif 000006
【００２３】
である。
【００２４】
また、ＩE2側インピーダンスＺ2に発生する電圧効果Ｖ2は（２）式より、
【００２５】
【数５】
2011228934.tif 000007
【００２６】
であるから、Ｚ1＜＜Ｚ2とすればＶ2≒Ｚ1ＩEとなる。
【００２７】
例えばＺ1＝１ｍΩ、Ｚ2＝１Ω、ＩE＝１００Ａとすれば、（１）式よりＩE1＝９９．９Ａ、（２）式よりＩE2＝０．１Ａとなり、Ｚ2に発生する電圧降下Ｖ2はＶ2≒９９．９ｍＶである。この電圧降下Ｖ2が、図５に示した電圧のかさ上げ分となる。なお、Ｖ2にはセンス電流ＩSによる影響を考慮していないが、通常ＩS＜＜ＩEであるためこれは無視することが出来る。
【００２８】
なお、本実施の形態において電流パス６及び電流パス７を、パワーモジュールにおいて部品を配置するプリント基板の銅パターンで構成すれば、新規に電子部品を搭載することなく前述のパワーモジュールを組み立てることが出来る。
【００２９】
また、半導体デバイス１は、ＩＧＢＴの他、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ，ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、ダイオードのいずれかを含むものであっても良い。また、ダイオードの材料を炭化珪素（ＳｉＣ）とする、さらには半導体デバイス１自体の材料を炭化珪素（ＳｉＣ）とすることもできる。ＳｉＣは耐電圧性が高く許容する電流密度を大きく出来るので、ダイオード、あるいは半導体デバイスを小型化することができ、パワーモジュールを小型化することが可能である。
【００３０】
＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールによれば、以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、エミッタ電極（主電極）及びセンス電極Ｓを有する半導体デバイス１と、一端が半導体デバイス１のセンス電極Ｓに接続され、半導体デバイス１の主電流に応じたセンス電流ＩSを電圧変換するセンス抵抗ＲSと、センス抵抗ＲSの他端を制御グランドに接続する第１配線４と、エミッタ電極をエミッタ端子Ｅ（主端子）に接続する第２配線５と、第２配線５のエミッタ電極側を第１配線４のセンス抵抗ＲS側に接続する電流パス６（第１電流経路）と、第１配線４の制御グランド側を第２配線５の主端子側に接続する電流パス７（第２電流経路）とを備える。第１配線４のインピーダンスＺ2に生じる電圧降下分だけ、センス抵抗ＲSの半導体デバイス側電位ＶSが上昇するため、センス電流ＩSのばらつきがＶSに与える影響が小さくなり、過電流保護レベルの検出を高精度に行う事が出来る。
【００３１】
また、電流パス６及び電流パス７は、プリント基板の銅パターンで形成するものとする。これにより、新規に電子部品を搭載することなくパワーモジュールを組み立てることが出来る。
【００３２】
さらに、半導体デバイス１は、ＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードのいずれかで構成される。これら様々な半導体デバイスで構成されたパワーモジュールにおいて、過電流保護レベルの検出を高精度に行う事が出来る。
【００３３】
また、半導体デバイスは１、ＳｉＣを材料とすることを特徴とする。ＳｉＣは耐電圧性が高く許容する電流密度を大きくできるため、半導体デバイスの小型化、更にはパワーモジュールの小型化が可能である。
【００３４】
（実施の形態２）
＜構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールの構成を図７に示す。本実施の形態のパワーモジュールは、実施の形態１のパワーモジュールの構成において電流パス６，７をそれぞれ抵抗器ＲA、ＲBで構成したものである。これ以外の構成は図４に示した実施の形態１と同様であり、説明を省略する。なお、図７において図４と同一の構成要素には同一の番号を付している。
【００３５】
このような構成にすることによって、任意のインピーダンスを設定することができるため、回路定数の調整を容易に行ってパワーモジュールを組み立てることが出来る。
【００３６】
＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールでは、以下の効果を奏する。すなわち、第１電流経路６及び第２電流経路７を抵抗器ＲA、ＲBで構成するため、任意のインピーダンスを設定することができ、回路定数の調整を容易に行ってパワーモジュールを組み立てることが出来る。
【００３７】
（実施の形態３）
＜構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールの構成を図８に示す。本実施の形態のパワーモジュールは、複数の半導体デバイス１ａ，１ｂを一つのパワーモジュールに搭載したものである。半導体デバイス１ａに対して、実施の形態１で述べたのと同様のセンス抵抗Ｒｓ、第１配線４ａ、第２配線５ａ、電流パス６ａ，７ａが設けられ、半導体デバイス１ｂに対しても同様にセンス抵抗Ｒｓ、第１配線４ｂ、第２配線５ｂ、電流パス６ｂ，７ｂが設けられる。なお、図８において図４と同一の構成要素には同一の番号を付している。
【００３８】
このように複数の半導体デバイスを一つのパッケージにすることによって、パワーモジュールの小型化を実現することができる。
【００３９】
なお、図９では２素子入りパッケージの例を示したが、３個以上の素子を備える構成としても良い。
【００４０】
＜効果＞
本実施の形態のパワーモジュールでは以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは複数の半導体デバイス１を備えることにより、パワーモジュールの小型化を実現する。
【符号の説明】
【００４１】
１，１ａ，１ｂ  半導体デバイス、２  過電流保護レベル検出手段、３  コンパレータ、４，４ａ，４ｂ  第１配線、５，５ａ，５ｂ  第２配線、６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ  電流パス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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