(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体装置を放熱基板に固定し、前記複数の半導体装置を並列接続し且つ前記複数の半導体装置とそれぞれ直列に接続した電流検出用の抵抗により電流を検出して前記複数の半導体装置に流れる電流を制御する主制御回路を有し、前記放熱基板に対して冷却空気を流通させて前記半導体装置を冷却する電力半導体装置に於いて、
前記放熱基板に固定した前記半導体装置の前記冷却空気の流通方向に沿った順に、前記冷却空気の吸気側に位置する前記半導体装置に流す電流を、前記冷却空気の排気側に位置する前記半導体装置に流す電流より多くなるように、各半導体装置と直列に接続した前記電流検出用の抵抗の抵抗値を設定した構成を有する
ことを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
複数の半導体装置を放熱基板に固定し、前記複数の半導体装置を並列接続し且つ前記複数の半導体装置とそれぞれ直列に接続した電流検出用の抵抗により電流を検出して前記複数の半導体装置に流れる電流を制御する主制御回路を有し、前記放熱基板に対して冷却空気を流通させて前記半導体装置を冷却する電力半導体装置に於いて、
前記複数の半導体装置にそれぞれ流れる電流を検出する前記電流検出用の抵抗を同一の抵抗値とし、該電流検出用の抵抗による電流検出値を基に前記主制御回路によって前記半導体装置に流れる電流を制御する制御信号を、前記放熱基板に固定した前記半導体装置の前記冷却空気の流通方向に沿った順に、前記冷却空気の吸気側に位置する前記半導体装置に流す電流が、前記冷却空気の排気側に位置する前記半導体装置に流す電流より多くなるように設定する補助制御回路を設けた
ことを特徴とする電力半導体装置。
【請求項３】
前記補助制御回路は、前記半導体装置と直列に接続した電流検出用の抵抗による電流検出値を分圧する第１の分圧回路と、前記電流検出値を抵抗を介して共通に前記主制御回路に入力する値を分圧する第２の分圧回路と、前記第１，第２の分圧回路による分圧値を入力し、差分に対応した値を前記半導体装置の電流制御用の信号とする演算増幅器とを備えていることを特徴とする請求項２記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の半導体装置を放熱基板に固定して並列に接続した電力半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は電力半導体装置の説明図であり、４１−１〜４１−ｎはパッケージに収容されたバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の半導体装置、４２はアルミニウム等の金属からなる放熱基板、４３は放熱フィン、４４はプリント配線基板、４５は冷却ファンを示す。
【０００３】
半導体装置４１−１〜４１−ｎは、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等を絶縁パッケージに封止し、端子を導出した構成を有し、これらの半導体装置４１−１〜４１−ｎを放熱基板４２に固定し、その放熱基板４２をプリント配線基板４４に固定し、半導体装置４１−１〜４１−ｎの端子をプリント配線基板４４の例えば裏面のプリント配線と接続する。又冷却ファン４５によって冷却空気を放熱基板４２の放熱フィン４３間を流通させる。図示の場合は、冷却ファン４５によって内部の空気を外部へ排出し、冷却ファン４５と反対側から空気を吸入する場合を示し、冷却空気は矢印の方向に流通し、放熱基板４２を介して半導体装置４１−１〜４１−ｎを冷却する。
【０００４】
又各半導体装置４１−１〜４１−ｎは、並列に接続して直流電源からの電流を分流させるもので、並列接続数を多くすることにより、大電流を制御することができる。又電流が流れることにより、半導体装置４１−１〜４１−ｎのジャンクション部の温度が上昇する。この温度が所定値を越えると、熱暴走や焼損等が生じるから、前述のように、放熱基板４２に熱伝導性絶縁膜等を介して半導体装置４１−１〜４１−ｎを固定し、半導体装置４１−１〜４１−ｎの発生熱を放熱基板４２に伝導し、放熱基板４２を冷却空気によって冷却するものである。
【０００５】
図５は従来例の説明図であり、Ｑ１〜Ｑｎは前述の半導体装置４１−１〜４１−ｎに対応する電界効果トランジスタ、Ｒｓ１〜Ｒｓｎは電流検出用の抵抗、Ｒ１〜Ｒｎは抵抗、ＤＡは演算増幅器、Ｖｒは基準電圧、ＰＷは一次電池，二次電池，大容量コンデンサ，スイッチング電源等の電源装置を示す。この場合、電源装置ＰＷの試験を行う為の電子負荷装置としての構成を示す。
【０００６】
又抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎはそれぞれ同一の抵抗値を有し、又抵抗Ｒ１〜Ｒｎもそれぞれ同一の抵抗値を有するものである。又基準電圧Ｖｒは可変可能の構成とする。電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎを抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎによって検出し、この電流検出値を抵抗Ｒ１〜Ｒｎを介して演算増幅器ＤＡの−端子に入力し、＋端子に入力する基準電圧Ｖｒとの差に対応して電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのゲートに制御電圧を印加し、基準電圧Ｖｒに対応した電流Ｉ１〜Ｉｎが電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎに流れるように制御する。
【０００７】
従って、電源装置ＰＷから供給する電流をＩｐとすると、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎには、Ｉｐ／ｎの電流Ｉ１〜Ｉｐが流れることになり、その時の電源装置ＰＷの出力電圧Ｖｐを測定することにより、電源装置ＰＷの出力電流対出力電圧の特性を求めることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等をパッケージに収容した半導体装置４１−１〜４１−ｎを放熱基板４２に固定し、冷却空気によって放熱基板４２を冷却し、この放熱基板４２を介して半導体装置４１−１〜４１−ｎを冷却する構成に於いて、冷却空気の流れに沿った方向に半導体装置４１−１〜４１−ｎが配列される構成が一般的である。その場合の冷却空気の温度が吸気側より排気側が高くなる。従って、放熱基板４２は、冷却空気の吸気側の温度より排気側の温度が高い温度分布となる。その為に、冷却空気の吸気側より排気側に配置された半導体装置４１−１〜４１−ｎの温度が高くなる。
【０００９】
図６は半導体装置４１−１を冷却空気の吸気側、半導体４１−ｎを冷却空気の排気側となるように、半導体装置４１−１〜４１−ｎを放熱基板４２に固定した場合の半導体装置４１−１〜４１−ｎの半導体部分のジャンクション温度を示す。即ち、半導体装置４１−１〜４１−ｎの配列順に従った温度となる。その為、冷却空気の排出側に配置されている半導体装置４１−ｎのジャンクション温度による制約に従った電流に制限される。その時、冷却空気の吸気側に配置されている半導体装置４１−１のジャンクション温度は充分に耐えられる値であるにも拘らず、冷却空気の排出側に配置されている半導体装置４１−ｎに流し得る電流に制限される。即ち、全半導体装置４１−１〜４１−ｎの能力を充分に利用できない問題があった。
本発明は、半導体装置のジャンクション温度がほぼ均等になるような電流分担制御を行い、全体としての電流容量を増大することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力半導体装置は、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタをパッケージに収容した複数の半導体装置を放熱基板に固定し、複数の半導体装置を並列接続し且つ複数の半導体装置とそれぞれ直列に接続した電流検出用の抵抗により電流を検出して、複数の半導体装置に流れる電流を制御する主制御回路を有し、放熱基板に対して冷却空気を流通させて前記半導体装置を冷却する電力半導体装置であって、放熱基板に固定した半導体装置の冷却空気の流通方向に沿った順に、冷却空気の吸気側に位置する半導体装置に流す電流を、冷却空気の排気側に位置する半導体装置に流す電流より多くなるように、各半導体装置と直列に接続した電流検出用の抵抗の抵抗値を設定した構成を有するものである。
【００１１】
又複数の半導体装置を放熱基板に固定し、前記複数の半導体装置を並列接続し且つ電流を検出して分担電流を制御する主制御回路を有し、前記放熱基板に対して冷却空気を流通させて前記半導体装置を冷却する電力半導体装置であって、複数の半導体装置にそれぞれ流れる電流を検出する抵抗を同一の抵抗値とし、この電流検出用の抵抗による電流検出値を基に、主制御回路によって半導体装置に流れる電流を制御する制御信号を、放熱基板に固定した半導体装置の冷却空気の流通方向に沿った順に、冷却空気の吸気側に位置する半導体装置に流す電流が、冷却空気の排気側に位置する半導体装置に流す電流より多くなるように設定する補助制御回路を設けたものである。
【００１２】
又補助制御回路は、半導体装置に流れる電流検出用の抵抗による電流検出値を分圧する第１の分圧回路と、電流検出値を抵抗を介して共通に主制御回路に入力する値を分圧する第２の分圧回路と、第１，第２の分圧回路による分圧値を入力し、差分に対応した値を半導体装置の電流制御用の信号とする演算増幅器とを備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態の説明図であり、Ｑ１〜Ｑｎは放熱基板（図示を省略）に固定した半導体装置（図４参照）を構成する電界効果トランジスタ、Ｒｓ１〜Ｒｓｎは電流検出用の抵抗、Ｒ１〜Ｒｎは抵抗、ＤＡは演算増幅器、Ｖｒは基準電圧、ＭＣは主制御回路、ＰＷは一次電池，二次電池，大容量コンデンサ，スイッチング電源等の電源装置、ＡＲは冷却空気の流通方向を示し、この実施の形態に於いては、冷却空気の流通方向に沿って配置された電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎの電流検出用の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎは、Ｒｓ１＜Ｒｓ２＜・・・＜Ｒｓｎの関係の抵抗値とする。
【００１４】
電流検出用の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎによる電流検出値を抵抗Ｒ１〜Ｒｎを介して主制御回路ＭＣに入力して、基準電圧Ｖｒと比較し、その差分に対応した制御電圧を電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのゲートに印加する。そして、比較差分に対応した同一の制御電圧をゲートに印加するものであるが、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのゲート・ソース間電圧は、抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎの値がそれぞれ異なることによって相違する。この場合、冷却空気の吸入側に位置する電界効果トランジスタＱ１のゲート・ソース間電圧が、冷却空気の排気側に位置する電界効果トランジスタＱｎのゲート・ソース間電圧より高くなり、流れる電流も多くなる。
【００１５】
従って、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎは、Ｉ１＞Ｉ２＞・・・Ｉｎとなる。それにより、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎを冷却しない場合、流れる電流Ｉ１〜Ｉｎに対応したジャンクション温度、即ち、電界効果トランジスタＱ１のジャンクション温度が高く、電界効果トランジスタＱｎのジャンクション温度が低くなる。
【００１６】
その場合、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎは放熱基板を介して冷却されるもので、電界効果トランジスタＱｎに比較して、電界効果トランジスタＱ１の冷却効果が大きくなる。従って、大きい電流が流れる電界効果トランジスタの冷却効果が大きいので、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度をほぼ同一とすることができる。図２は従来例と比較して本発明に於ける電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度を示す。即ち、従来例（曲線ｂ）に於いては、冷却空気の流通方向に沿った配置位置に従って、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度は、冷却空気の吸気側は低く、排気側は高くなる。これに対して、第１の実施の形態（曲線ａ）に於いては、冷却空気の流通方向に沿った配置位置の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度をほぼ同一とすることができる。
【００１７】
前述のように、ジャンクション温度の上昇により、流す電流に制約が生じるものであるが、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度をほぼ同一とすることにより、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎにそれぞれ最大限の電流を流すことができる。即ち、並列接続した電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎにより、電源装置ＰＷから流すことができる電流を従来例に比較して増加することが可能となる。又同一の出力電流とする場合は、冷却空気量を削減することができる。即ち、小型且つ経済的な構成とすることもできる。
【００１８】
図３は本発明の第２の実施の形態の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、ＳＣ１〜ＳＣｎは補助制御回路、ＯＰ１〜ＯＰｎは演算増幅器、Ｒａ１〜Ｒｅ１，・・・Ｒａｎ〜Ｒｅｎは抵抗、Ｒｇ１〜Ｒｇｎはゲート抵抗を示す。又第１の実施の形態と同様に、図示を省略した放熱基板に、矢印ＡＲの冷却空気の流通方法に沿って、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎを配置した場合を示す。
【００１９】
又電流検出用の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎは同一の抵抗値とし、抵抗Ｒａ１，Ｒｂ１〜Ｒａｎ，Ｒｂｎはそれぞれ異なる抵抗値とする。又抵抗Ｒｃ１，Ｒｄ１，Ｒｅ１〜Ｒｃｎ，Ｒｄｎ，Ｒｅｎは同一の抵抗値とし、Ｒ１〜Ｒｎ及びＲｇ１〜Ｒｇｎも同一の抵抗値とする。
【００２０】
補助制御回路ＳＣ１〜ＳＣｎは、抵抗Ｒａ１，Ｒｂ１，Ｒｃ１，Ｒｄ１，Ｒｅ１〜Ｒａｎ，Ｒｂｎ，Ｒｃｎ，Ｒｄｎ，Ｒｅｎと、演算増幅器ＯＰ１〜ＯＰｎとを含み、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎ対応の電流検出用の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓｎによる電流検出値を、抵抗Ｒａ１，Ｒｂ１〜Ｒａｎ，Ｒｂｎからなる第１の分圧回路により分圧し、又主制御回路ＭＣに抵抗Ｒ１〜Ｒｎを介して入力する電流検出値を、抵抗Ｒｃ１，Ｒｄ１〜Ｒｃｎ，Ｒｄｎからなる第２の分圧回路により分圧して、それぞれ演算増幅器ＯＰ１〜ＯＰｎに入力し、各分圧値の差分に対応した信号を抵抗Ｒｅ１〜Ｒｅｎを介して電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのゲートに印加する。なお、（Ｒｃ１，Ｒｄ１〜Ｒｃｎ，Ｒｄｎ）≫（Ｒ１〜Ｒｎ）の関係とする。
【００２１】
又抵抗Ｒａ１〜Ｒａｎ，Ｒｂ１〜Ｒｂｎからなる第１の分圧回路による分圧値をＶａ１〜Ｖａｎとし、抵抗Ｒｃ１〜Ｒｃｎ，Ｒｄ１〜Ｒｄｎからなる第２の分圧回路による分圧値をＶｂ１〜Ｖｂｎとすると、演算増幅器ＯＰ１〜ＯＰｎは、Ｖａ１＝Ｖｂ１，Ｖａ２＝Ｖｂ２，・・・Ｖａｎ＝Ｖｂｎとなるように、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎを制御する。なお、主制御回路ＭＣは、基準電圧Ｖｒに対応した電源装置ＰＷからの電流Ｉｐを制御することになる。
【００２２】
又抵抗Ｒｃ１〜Ｒｃｎを同一、抵抗Ｒｄ１〜Ｒｄｎを同一とすることにより、第２の分圧回路の分圧値Ｖｂ１〜Ｖｂｎは同一の値となる。そこで、Ｖａ１＜Ｖａ２＜・・・＜Ｖａｎの関係となるように抵抗Ｒａ１〜Ｒａｎ，Ｒｂ１〜Ｒｂｎを設定する。それにより、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎが同一であると、Ｖａ１＜Ｖａ２＜・・・＜Ｖａｎの関係となり、又Ｖｂ１＝Ｖｂ２＝・・・＝Ｖｂｎとなる。補助制御回路ＳＣ１〜ＳＣｎは、Ｖａ１＝Ｖｂ１，・・・，Ｖａｎ＝Ｖｂｎとなるように、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎを制御することになるから、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎの電流は、Ｉ１＞Ｉ２＞・・・＞Ｉｎの関係となるように制御される。
【００２３】
従って、冷却効果が大きい冷却空気の吸気側に位置する電界効果トランジスタＱ１に流れる電流Ｉ１を大きくし、冷却効果が小さい冷却空気の排気側に位置する電界効果トランジスタＱｎに流れる電流Ｉｎを小さくして、各電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎのジャンクション温度がほぼ同一となるように、それぞれの電流Ｉ１〜Ｉｎを制御することができる。即ち、許容されるジャンクション温度まで上昇する電流を流すことができるから、並列接続した電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎによる全体としての制御電流容量を増加することができる。又全体としての制御電流容量を従来例と同一とする、冷却空気を削減しても良いことになり、小型且つ経済的な構成とすることができる。
【００２４】
又電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎの特性にはばらつきがある場合が一般的であり、このような特性のばらつきについては、補助制御回路ＳＣ１〜ＳＣｎの第１の分圧回路を構成する抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂｎの調整等によって補償することができる。
【００２５】
本発明は、前述の各実施の形態にのみ限定されるものではなく、種々付加，変更することが可能であり、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑｎに代えて、バイポーラトランジスタを用いることも可能である。又電源装置ＰＷから図示を省略している負荷に供給する電流の制御回路として適用することも可能である。又冷却空気を流通させる冷却ファンは、冷却空気の吸気側に設けて、外部からの空気を放熱基板に沿って吹き込む構成とすることも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、並列接続して電流を分担して流す複数の半導体装置を放熱基板に固定し、この放熱基板を冷却空気で冷却する構成に於いて、冷却空気の吸気側に位置する半導体装置に流れる電流を大きくし、且つ冷却空気の排気側に位置する半導体装置に流れる電流を小さくするように制御するもので、冷却効果が大きい半導体装置は、大きな電流が流れてジャンクション温度が上昇しても冷却されるから、冷却空気の流通方向に沿って配置された半導体装置に流れる電流を順次小さくすることによって、総ての半導体装置のジャンクション温度をほぼ同一とすることができる。それにより、全体として流し得る電流値を従来例に比較して増加することができる。又従来例と同一の電流値とすれば、冷却能力を低減しても、所定のジャンクション温度に上昇しないように制御できるから、小型化並びに経済化を図ることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態のジャンクション温度の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図４】電力半導体装置の説明図である。
【図５】従来例の説明図である。
【図６】従来例のジャンクション温度の説明図である。
【符号の説明】
Ｑ１〜Ｑｎ  半導体装置を構成する電界効果トランジスタ
Ｒｓ１〜Ｒｓｎ  電流検出用の抵抗
ＭＣ  主制御回路
Ｖｒ  基準電圧
ＤＡ  演算増幅器
ＰＷ  電源装置
ＡＲ  冷却空気の流通方向
【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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