(57)【要約】【課題】本発明は、複雑な製造工程を必要とせず、適切にセンス電流端子のＥＳＤ保護機能を発揮できるパワーモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、スイッチング素子（２０）と、スイッチング素子を制御する制御ＩＣ１００とを備える。制御ＩＣは、スイッチング素子のゲート電圧を制御する制御部１０と、制御部とは電気的に独立し、かつ、制御ＩＣのグラウンドに接地された保護回路としての保護回路とを備える。保護回路が、スイッチング素子のゲート電極１０Ｄおよび主電流電極１４Ｄには接続されず、スイッチング素子のセンス電流電極１５Ｄには接続されている。【選択図】図５
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【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制御する制御ＩＣとを備え、
前記制御ＩＣは、
前記スイッチング素子のゲート電圧を制御する制御部と、
前記制御部とは電気的に独立し、かつ、前記制御ＩＣのグラウンドに接地された保護回路とを備え、
前記保護回路が、前記スイッチング素子のゲート電極および主電流電極には接続されず、前記スイッチング素子のセンス電流電極には接続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】
前記制御ＩＣが、前記主電流電極または前記センス電流電極に流れる電流値を検出可能な検出部をさらに備え、
前記検出部が、前記主電流電極または前記センス電流電極に流れる電流値が閾値を超えた場合、オフ指令信号を出力し、
前記制御部が、前記オフ指令信号に基づいて前記ゲート電圧を制御す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】
前記主電流電極に接続された主電流端子、前記センス電流電極に接続されたセンス電流端子、および、前記検出部が電流値を検出するための検出端子を、モジュール外部から個別に接続可能に備えることを特徴とする、
請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記センス電流電極は、分岐した配線により前記保護回路と前記センス電流端子とに接続されていることを特徴とする、
請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記センス電流電極が、前記保護回路を経由して前記センス電流端子に接続されていることを特徴とする、
請求項３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、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子と、スイッチング素子を保護および駆動するための制御ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等とを同一の板状リードフレーム上に搭載し、さらに樹脂封止したいわゆるトランスファーモールド型インテリジェントパワーモジュール（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ：ＩＰＭ）が知られている。
【０００３】
制御ＩＣのスイッチング素子に関する保護機能としては、負荷が短絡した際に過剰な電流がスイッチング素子に流れることを阻止する過電流保護機能があるが、過剰な電流であるか否かの具体的な判断方式としては、主電流経路にシャント抵抗を挿入して電流を検出する主電流検出方式、または、センスエミッタを有するスイッチング素子を用いてセンス電流を検出するセンス電流検出方式がある。
【０００４】
主電流検出方式は電流検出精度が良いというメリットがあるが、主電流経路に直接抵抗を接続するため、モジュールとしての電力損失が増加するというデメリットがある。
【０００５】
一方、センス電流検出方式では、主電流の一部を分流させたセンスエミッタを用いることで、センス電流検出の際の電力損失を抑えることができるというメリットがある。しかし、主電流検出方式よりも電流検出精度が低いというデメリットがある。
【０００６】
上記のように両方式には一長一短がある。そこで、ひとつのＩＰＭでいずれの電流検出方式にも対応可能とするため、センス電流端子、主電流端子および各端子に流れる電流を検出するための検出端子を、ＩＰＭ内部で結線することなく個別にＩＰＭ外部に導出する構造が提案されている。
【０００７】
一方、これらの端子にはＥＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）が印加される恐れがあるので、保護素子を設けておく必要がある。このような保護素子を有する構造としては、例えば特許文献１および２に開示されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−４２９５０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０３４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記のようなＥＳＤ保護素子を有する装置は、センス電流検出方式および主電流検出方式に対応したトランスファーモールド型ＩＰＭに適用しようとした場合に、以下のような問題点があった。
【００１０】
特許文献１においては、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）とは別チップであるサージ保護回路素子が備えられている。しかし、このような構成とする場合には、製造工数が増加する。また、分離された金属ブロックに搭載する場合にはモジュール全体の小型化の妨げとなる。
【００１１】
特許文献２においては、スイッチング素子（ＩＧＢＴチップ）においてセンス電流端子と主電流端子との間にＥＳＤ保護素子が備えられている。さらにＥＳＤ保護素子は、スイッチング素子（ＩＧＢＴチップ）と同一の半導体基板上にモノシリックに形成されている。このＥＳＤ保護素子によれば、センス電流端子と主電流端子との間のＥＳＤ保護を行うことができる。しかし、センス電流端子および主電流端子がそれぞれ個別の端子として備えられ、両者ともシステムの基準電位（ＧＮＤ）には接続されていないＩＰＭにおいては、例えば主電流端子に印加されたＥＳＤがＩＧＢＴのセンス電流端子側に回り込んでしまう。そのため、当該ＥＳＤ保護素子では、適切にセンス電流端子のＥＳＤ保護機能を発揮することができない、という問題点がある。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、複雑な製造工程を必要とせず、適切にセンス電流端子のＥＳＤ保護機能を発揮できるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に関するパワーモジュールは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御ＩＣとを備え、前記制御ＩＣは、前記スイッチング素子のゲート電圧を制御する制御部と、前記制御部とは電気的に独立し、かつ、前記制御ＩＣのグラウンドに接地された保護回路とを備え、前記保護回路が、前記スイッチング素子のゲート電極および主電流電極には接続されず、前記スイッチング素子のセンス電流電極には接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の上記態様によれば、ＥＳＤを保護回路側へ流すことができるため、複雑な製造工程を必要とせず、適切にセンス電流電極側のＥＳＤ保護機能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に関するパワーモジュールの回路構成の一例を示した図である。
【図２】実施形態に関するＥＳＤ保護回路部の具体的な構成を示す図である。
【図３】実施形態に関するＥＳＤ保護回路部の具体的な構成を示す図である。
【図４】実施形態に関するパワーモジュールの、実際のリードフレームの構成例を示す図である。
【図５】実施形態に関するパワーモジュールの回路図であり、ＥＳＤの電流経路を示す図である。
【図６】変形例であるパワーモジュールの回路図であり、ＥＳＤの電流経路を示す図である。
【図７】実施形態に関するパワーモジュールの、実際のリードフレームの構成例を示す図である。
【図８】前提技術に関す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】
【００１６】
以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。
【００１７】
図８は、前提技術に関するパワーモジュールの回路図である。図８に示されるように、当該パワーモジュールは、ＩＧＢＴ２０と、ＩＧＢＴ２０を制御する制御ＩＣ１００Ａとを備えている。制御ＩＣ１００Ａは、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄと接続された制御部１０を有しており、ＩＧＢＴ２０のゲート電圧を制御することができる。
【００１８】
また、ＩＧＢＴ２０のセンス電流電極１５Ｄに接続されたセンス電流端子１５と、ＩＧＢＴ２０の主電流電極１４Ｄに接続された主電流端子１４との間には、ＥＳＤ保護素子１１Ａが備えられている。当該ＥＳＤ保護素子１１Ａによって、センス電流端子１５と主電流端子１４との間のＥＳＤ保護を行うことができる。
【００１９】
しかし、例えば主電流端子１４にＥＳＤが印加された場合、ＥＳＤがＥＳＤ保護素子１１Ａを介してセンス電流端子１５側へ流れ込み、さらにＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄから制御部１０、制御ＩＣ１００Ａのグラウンド１３へと流れる電流経路Ｘが形成されてしまう。よって、このようなＥＳＤ保護素子１１Ａを有する場合でも、適切にセンス電流端子１５のＥＳＤ保護機能を発揮することができない。
【００２０】
以下に説明する実施形態は、上記のような問題も解決するパワーモジュールに関するものである。
【００２１】
ここで、以下の実施形態で記載されるスイッチング素子には半導体材料を用いることができる。また、当該半導体材料には、ワイドギャップ半導体を含めることができる。ワイドギャップ半導体とは、一般に、およそ２ｅＶ以上の禁制帯幅をもつ半導体を指し、ＧａＮに代表される３族窒化物、ＺｎＯに代表される２族窒化物、ＺｎＳｅに代表される２族カルコゲナイドおよびＳｉＣ等が知られている。
【００２２】
＜実施形態＞
＜構成＞
図１は、本実施形態に関するパワーモジュールの回路構成の一例を示した図である。図１に示されるように、当該パワーモジュールには、カレントセンス機能を有する（センス電流電極を有する）スイッチング素子（ＩＧＢＴ２０）が複数搭載されている。各ＩＧＢＴ２０は、制御ＩＣによって動作が制御される。制御ＩＣは、さらにＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）によって制御される。
【００２３】
当該制御ＩＣには、制御部１０（低耐圧ＩＣ：ＬＶＩＣ）、ＥＳＤ保護回路部１１および過電流検出部１２が備えられている。
【００２４】
制御部１０は、外部から入力されたオン指令信号またはオフ指令信号に基づき、ＩＧＢＴ２０のゲート電圧を制御する。具体的には、オン指令信号に基づいてゲート電圧をオン状態としＩＧＢＴ２０を駆動させる。また、オフ指令信号に基づいてゲート電圧をオフ状態としＩＧＢＴ２０の駆動を停止させる。
【００２５】
過電流検出部１２は、主電流電極またはセンス電流電極に流れる電流値を検出することができる。過電流検出部１２は、ＩＧＢＴ２０の電極（端子）間に流れる電流値が所定の閾値を超えた場合、制御部１０に対し、オフ指令信号を出力する。ＩＧＢＴ２０は、その時の状態（オン状態またはオフ状態）に関わらず、制御部１０によって駆動が停止される。
【００２６】
図１に示される場合では、過電流検出部１２における検出端子はセンス電流電極側に接続されており、過電流検出部１２ではセンス電流端子に流れる電流値が検出されることとなる。具体的には、センス抵抗において発生した電圧降下を検出し、当該電圧降下が所定の基準電圧（典型的には０．５Ｖ程度）を超えた場合には電流値が閾値を超えた状態（過電流状態）であると判断する。
【００２７】
なお、過電流検出部１２における検出端子は、主電流電極側に接続されていてもよい。その場合には、過電流検出部１２では主電流電極に流れる電流値が検出されることとなる。
【００２８】
ＥＳＤ保護回路部１１は、ＥＳＤが流れる電流経路となる。そしてＥＳＤ保護回路部１１は、制御部１０および過電流検出部１２とは電気的に独立して設けられ、制御ＩＣのグラウンドに接地されている。またＥＳＤ保護回路部１１は、ＩＧＢＴ２０の主電流電極およびゲート電極には接続されず、ＩＧＢＴ２０のセンス電流電極に接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ２０のセンス電流電極が、分岐した配線によりＥＳＤ保護回路部１１とセンス電流端子とに接続されている。
【００２９】
ＥＳＤ保護回路部１１の具体的な構成としては、例えば図２または図３に示される回路が想定される。すなわち、図２に示されるような複数のダイオードの組み合わせからなるクランプ回路（ＥＳＤ保護回路部１１Ｃ）、または、さらにツェナーダイオードを組み合わせたクランプ回路（図３のＥＳＤ保護回路部１１Ｄ）等が想定される。
【００３０】
図４は、本実施形態に関するパワーモジュールの、実際のリードフレームの構成例を示す図である。図４に示されるように、ＩＧＢＴのセンス電流電極は、分岐した配線により制御ＩＣ１００（ＥＳＤ保護回路部）とセンス電流端子１５とに接続されている。
【００３１】
＜動作＞
図５は、図４に対応するパワーモジュールの回路図であり、ＥＳＤの電流経路を示す図である。
【００３２】
図５に示されるように、当該パワーモジュールは、ＩＧＢＴ２０と、ＩＧＢＴ２０を制御する制御ＩＣ１００とを備えている。制御ＩＣ１００には、制御部１０、ＥＳＤ保護回路部１１および過電流検出部１２が備えられている。
【００３３】
制御部１０は、ＩＧＢＴ２０のゲート電圧を制御する。またＥＳＤ保護回路部１１は、制御部１０とは電気的に独立し、かつ、制御ＩＣ１００のグラウンドに接地されている。
【００３４】
ＥＳＤ保護回路部１１は、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄおよび主電流電極１４Ｄには接続されず、ＩＧＢＴ２０のセンス電流電極１５Ｄには接続されている。
【００３５】
主電流電極１４Ｄに接続された主電流端子１４、センス電流電極１５Ｄに接続されたセンス電流端子１５、および、過電流検出部１２が電流値を検出するための検出端子１６は、モジュール外部へそれぞれ個別に導出され、モジュール外部において個別に接続可能に備えられている。
【００３６】
なお、過電流検出部１２における検出端子１６は主電流電極１４Ｄ側に接続されていてもよい。その場合には、過電流検出部１２では主電流電極１４Ｄ側に流れる電流値が検出されることとなる。
【００３７】
このように構成することで、例えばセンス電流端子１５にＥＳＤが印加された場合、ＥＳＤはＥＳＤ保護回路部１１を介して制御ＩＣ１００のグラウンド１３へ流れ込む（電流経路Ｙ）。よって、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄを含む経路にはＥＳＤは流れず、センス電流端子１５のＥＳＤ保護機能を適切に発揮させＩＧＢＴ２０のＥＳＤ耐量を向上させることができる。
【００３８】
＜変形例＞
図６は、変形例であるパワーモジュールの回路図であり、ＥＳＤの電流経路を示す図である。
【００３９】
図６に示されるように、当該パワーモジュールは、ＩＧＢＴ２０と、ＩＧＢＴ２０を制御する制御ＩＣ１００Ｂとを備えている。制御ＩＣ１００Ｂには、制御部１０、ＥＳＤ保護回路部１１Ｂおよび過電流検出部１２が備えられている。
【００４０】
ここで図５に示されている場合とは異なり、ＥＳＤ保護回路部１１Ｂは、センス電流電極１５Ｄおよびセンス電流端子１５と、それぞれ異なる箇所で接続されている。すなわちＩＧＢＴ２０のセンス電流電極１５Ｄは、ＥＳＤ保護回路部１１Ｂを経由してセンス電流端子１５に接続されている。当該構成によれば、センス電流経路内にＥＳＤ保護回路を挿入する形態であり、リードフレーム形状の自由度を向上させることができる。
【００４１】
なお、過電流検出部１２における検出端子１６は主電流電極１４Ｄ側に接続されていてもよい。その場合には、過電流検出部１２では主電流電極１４Ｄ側に流れる電流値が検出されることとなる。
【００４２】
このように構成することで、例えばセンス電流端子１５にＥＳＤが印加された場合、ＥＳＤはＥＳＤ保護回路部１１Ｂを介して制御ＩＣ１００Ｂのグラウンド１３へ流れ込む（電流経路Ｚ）。よって、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄを含む経路にはＥＳＤは流れず、センス電流端子１５のＥＳＤ保護機能を適切に発揮させＩＧＢＴ２０のＥＳＤ耐量を向上させることができる。
【００４３】
図７は、図６に対応する、実際のリードフレームの構成例を示す図である。図７に示されるように、ＩＧＢＴのセンス電流電極は、制御ＩＣ１００Ｂ（ＥＳＤ保護回路部）を経由してセンス電流端子１５に接続されている。
【００４４】
＜効果＞
本実施形態によれば、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ２０と、ＩＧＢＴ２０を制御する制御ＩＣ１００とを備える。
【００４５】
制御ＩＣ１００は、ＩＧＢＴ２０のゲート電圧を制御する制御部１０と、制御部１０とは電気的に独立し、かつ、制御ＩＣ１００のグラウンドに接地された保護回路としてのＥＳＤ保護回路部１１とを備える。
【００４６】
ＥＳＤ保護回路部１１が、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄおよび主電流電極１４Ｄには接続されず、ＩＧＢＴ２０のセンス電流電極１５Ｄには接続されている。
【００４７】
なお、制御ＩＣ１００およびＥＳＤ保護回路部１１は、制御ＩＣ１００ＢおよびＥＳＤ保護回路部１１Ｂと入れ替えることも適用可能である。
【００４８】
このような構成によれば、ＥＳＤをＥＳＤ保護回路１１（またはＥＳＤ保護回路１１Ｂ）側へ流すことができるため、複雑な製造工程を必要とせず、適切にセンス電流電極１５Ｄ側のＥＳＤ保護機能を発揮できる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、制御ＩＣ１００が、主電流電極１４Ｄまたはセンス電流電極１５Ｄに流れる電流値を検出可能な検出部として過電流検出部１２を備える。
【００５０】
過電流検出部１２が、主電流電極１４Ｄまたはセンス電流電極１５Ｄに流れる電流値が閾値を超えた場合、オフ指令信号を出力し、制御部１０が、オフ指令信号に基づいてゲート電圧を制御する。
【００５１】
なお、制御ＩＣ１００は、制御ＩＣ１００Ｂと入れ替えることも適用可能である。
【００５２】
このような構成によれば、ＥＳＤが生じた場合にはＩＧＢＴ２０の駆動は停止され、ＥＳＤをＥＳＤ保護回路１１（またはＥＳＤ保護回路１１Ｂ）側へ流すことができる。
【００５３】
また、本実施形態によれば、センス電流電極１５Ｄは、分岐した配線によりＥＳＤ保護回路部１１とセンス電流端子１５とに接続されている。
【００５４】
このような構成によれば、例えばセンス電流端子１５にＥＳＤが印加された場合、ＥＳＤはＥＳＤ保護回路部１１を介して制御ＩＣ１００のグラウンド１３へ流れ込む。よって、ＩＧＢＴ２０のゲート電極１０Ｄを含む経路にはＥＳＤは流れず、センス電流端子１５のＥＳＤ保護機能を適切に発揮させＩＧＢＴ２０のＥＳＤ耐量を向上させることができる。
【００５５】
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
【００５６】
なお本発明は、その発明の範囲内において、本実施形態における任意の構成要素の変形もしくは省略が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  制御部、１０Ｄ  ゲート電極、１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ  ＥＳＤ保護回路部、１１Ａ  ＥＳＤ保護素子、１２  過電流検出部、１３  グラウンド、１４  主電流端子、１４Ｄ  主電流電極、１５  センス電流端子、１５Ｄ  センス電流電極、１６  検出端子、２０  ＩＧＢＴ、１００，１００Ａ，１００Ｂ  制御ＩＣ。
【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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