(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子およびモジュール電極が絶縁基板上に取り付けられ、これらの半導体素子とモジュール電極が接続されてなるパワー半導体モジュールにおいて、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成されて、内部の電位差から上記主電流を検出する電流センサ部を設けており、上記電流センサ部は上記平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を上記絶縁基板上に密着して設けたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
複数の半導体素子およびモジュール電極が絶縁基板上に取り付けられ、これらの半導体素子とモジュール電極が接続されてなるパワー半導体モジュールにおいて、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成されて、内部の電位差から上記主電流を検出する電流センサ部を設けており、上記電流センサ部は上記平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を上記半導体素子上に設けたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
複数の半導体素子およびモジュール電極が絶縁基板上に取り付けられ、これらの半導体素子とモジュール電極が接続されてなるパワー半導体モジュールにおいて、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成された、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を設け、上記各電流センサ部の内部の電位差の差分から上記主電流を検出するようにしたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
電流センサ部を、モジュール電極と一体にしたことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
電流センサ部を、絶縁基板上に設けたことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を絶縁基板上に密着して設けたことを特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を半導体素子上に設けたことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータやコンバータ等の電力変換機器に利用されるパワー半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワー半導体モジュールにはＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子を複数個搭載したＭＯＳＦＥＴモジュール、ダイオード素子を複数個搭載したダイオードモジュール、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子とダイオード素子それぞれを複数個搭載したＩＧＢＴモジュールなどがある。ここでは、半導体素子であるＩＧＢＴ素子とダイオード素子が複数個並列に接続されたＩＧＢＴモジュールを例としてパワー半導体モジュールの内部構造を説明する。
図１０は従来技術のＩＧＢＴモジュール（以下、モジュールと称する）の半導体素子部を中心とした平面図、図１１は、ＩＧＢＴモジュール内部のＩＧＢＴ素子とダイオード素子の部分を中心とした断面図である。本モジュールではＩＧＢＴ素子が４個、ダイオード素子が４個並列に接続されてひとつのモジュールを構成している。ＩＧＢＴ素子とダイオード素子が逆並列、すなわち、ＩＧＢＴ素子のエミッタとダイオード素子のアノードが同電位に、また、ＩＧＢＴ素子のコレクタとダイオード素子のカソードが同電位となるように接続されている。
【０００３】
図１０および図１１において、１は銅からなり、半導体素子を冷却するための放熱板、２は絶縁基板である窒化アルミニウム基板、２１は窒化アルミニウム基板２の両面に張り付けられた電極パターン、３はＩＧＢＴ素子、４はダイオード素子であり、電極パターン２１上にはＩＧＢＴ素子３とダイオード素子４が隣り合わせではんだ付けされている。また、窒化アルミニウム基板２は放熱板１上にはんだづけにより接合されている。
【０００４】
ＩＧＢＴ素子３の表面にパターニングされているエミッタ電極３１とダイオード素子４の表面にパターニングされているアノード電極４１はアルミニウムワイヤ５１で接続され、さらにエミッタ中継基板７に接続されている。ＩＧＢＴ素子３とダイオード素子４とがはんだづけされている窒化アルミニウム基板２上の電極パターン２１と、コレクタ中継基板８がアルミニウムワイヤ５２により接続されている。２５は樹脂材料からなる筐体であり、放熱板１に固定されている。コレクタ中継基板８上の電極パターンにはモジュールコレクタ電極９が接続され、エミッタ中継基板７にはモジュールエミッタ電極１０が接続されている。モジュールエミッタ電極１０とモジュールコレクタ電極９は、モジュールの筐体２５外部において、負荷等に配線、接続される。
また、ＩＧＢＴ素子３をオンオフするゲート電位を制御するために、アルミニウムワイヤ５３が配線基板１１からＩＧＢＴ素子３のゲート端子３２に接続されている。１９はモジュールゲート電極であり、モジュール内部において、配線基板１１を介して各ＩＧＢＴ素子３のゲート端子３２に接続されている。３３はＩＧＢＴ素子３上に形成された電流センス端子であり、ＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１を流れる電流に比例した微小な電流が流れる。
【０００５】
このようなＩＧＢＴ素子を用いたモジュールにおいて、動作中に定格電流を越える過電流が流れたり、負荷側での短絡事故によりモジュールに過大な電流が流れることがある。モジュールに定格を越える過大な電流が流れるとＩＧＢＴ素子が熱的に破壊し、モジュールを交換する必要が生ずる。過電流によるモジュールの破壊を防ぐためには、ＩＧＢＴ素子に流れる電流を検出し、過大な電流が流れる直前にＩＧＢＴ素子をオフにする必要がある。このような過電流や負荷側短絡時に生ずる可能性のあるＩＧＢＴ素子の破壊を防ぐために保護回路が設けられる。
図１２はそのような保護回路のブロック図である。１２はモジュール、１３はモジュール１２内に配置されたＩＧＢＴ素子３の一つであり、電流センス端子３３を利用してモジュールエミッタ電極１０に流れる主電流を検出する。モジュール１２内に設置されている４個のＩＧＢＴ素子３の内、一つのＩＧＢＴ素子１３に流れる電流を検出する電流センス端子３３の電流が、過電流・短絡電流保護回路１６に入力され、ゲート電圧制御回路１７によりＩＧＢＴ素子３がオフとなるようなゲート電圧が出力され、モジュール１２全体が保護される。
【０００６】
ＩＧＢＴ素子３の内部は複数の微細なＩＧＢＴセル（図示せず）が多数個並列に接続された構造になっている。エミッタ電極３１と電流センス端子３３にはＩＧＢＴ素子３内部においてそれぞれに複数の微細なＩＧＢＴセルが接続されている。エミッタ電極３１と電流センス端子３３に接続されているＩＧＢＴセルの数を１０００対１程度とし、互いに分離することにより、電流センス端子３３を流れる電流からエミッタ電極３１に流れる電流を測定するようになっている。
また従来技術の他の例として、主電流の経路の何れかの位置に抵抗体（図示せず）を挿入しその抵抗体での電圧降下から主電流の電流値を測定する方法があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電流センス端子を流れる電流とエミッタ電極を流れる電流は、それぞれの端子に接続されているＩＧＢＴセルの数の比には必ずしもならないことがあった。その理由は、ＩＧＢＴ素子は動作中に発熱し、素子面内において温度分布を持つが、電流センス端子に接続されているＩＧＢＴセルは素子面の特定の位置に存在するので、電流センス端子に接続されているＩＧＢＴセル部の温度とエミッタ電極に接続されているＩＧＢＴセル部の温度が異なるからである。従って、電流センス端子の電流値が実際にモジュールエミッタ電極に流れている電流を正確に反映しないことがあった。
また、素子の製造上のばらつきにより電流センス端子を流れる電流がばらつくという問題があった。
【０００８】
また、主電流の流れる経路に抵抗体を挿入する方法では、抵抗体による電圧降下を検出するので検出値がばらつくようなことは少ない。しかし、従来技術による平板状抵抗体では挿入した抵抗体のインダクタンスが大きく、高周波特性が悪いという問題があった。ＩＧＢＴモジュールのようなパワー半導体モジュールでは、例えばＩＧＢＴ素子１個あたり１００Ａ程度の大きな電流を測定することになる。抵抗挿入による電力損失を低くするために、抵抗体の抵抗値としてはミリオーム程度の低い値が必要とされる。このような抵抗値をもつ平板抵抗は１００ｋＨｚから１ＭＨｚといった高周波においては抵抗よりもインダクタンスによるインピーダンスが支配的となり、検出特性が周波数依存性を持つという問題があった。
【０００９】
本発明の目的とするところは、主電流を高周波領域まで、精度良く検出できる電流センサ部を備えたパワー半導体モジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るパワー半導体モジュールは、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成されて、内部の電位差から主電流を検出する電流センサ部を設けており、電流センサ部は平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を絶縁基板に密着して設けたものである。
請求項２に係るパワー半導体モジュールは、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成されて、内部の電位差から主電流を検出する電流センサ部を設けており、電流センサ部は平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を半導体素子上に設けたものである。
請求項３に係るパワー半導体モジュールは、主電流が流れる電流経路中に、平行平板状に折り返した形状の導電体で構成された、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を設け、各電流センサ部の内部の電位差の差分から主電流を検出するようにしたものである。
請求項４に係るパワー半導体モジュールは、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を、モジュール電極と一体にしたものである。
請求項５に係るパワー半導体モジュールは、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を、絶縁基板上に設けたものである。
請求項６に係るパワー半導体モジュールは、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を絶縁基板に密着して設けたものである。
請求項７に係るパワー半導体モジュールは、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を半導体素子上に設けたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示すパワー半導体モジュールの斜視図である。図１のものは、実際には図８、図９に示したのと同様に放熱板１に取り付けられて筐体２５で覆われているが、ここではそれらの図示を省略し、内部のＩＧＢＴ素子と電流センサ部を中心に示している。
図１において、２は絶縁基板である窒化アルミニウム基板、２１は窒化アルミニウム基板２上に形成された電極パターン、３、４は電極パターン２１上にはんだ付けされた半導体素子であるＩＧＢＴ素子とダイオード素子、２６は絶縁基板であるエミッタ中継基板、２９はエミッタ中継基板２６上に形成された電極パターン、２７は外部と接続して主電流を流すためのモジュール電極であるモジュールエミッタ電極で、図示を一部省略している。２８は平行平板状に折り返した形状の導電体（ここでは銅）からなる電流センサ部であり、平行平板をなす第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃおよびこれら第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃの一方の端部を互いにつなぐ折れ曲がり部２８ｂで構成されている。そして第１の平板状部分２８ａのもう一方の端部が電極パターン２９にはんだ付けにより接続されて一方の検出端子３４となるとともに、第２の平板状部分２８ｃのもう一方の端部はモジュールエミッタ電極２７と一体になってつながり、もう一方の検出端子３５となっている。
エミッタ中継基板２６上の電極パターン２９はアルミニウムワイヤ５１によりダイオード素子４のアノード電極４１およびＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１と接続されている。
１６は過電流・短絡電流保護回路である。
【００１２】
次に、動作について説明する。パワー半導体モジュール（以下、モジュールと称す）を流れる主電流は、ＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１を通り、次にアルミニウムワイヤ５１を通り、エミッタ中継基板２６上の電極パターン２９から電流センサ部２８を通過してモジュールエミッタ電極２７へ流れる。電流センサ部２８内部の電位差、すなわち両検出端子３４、３５間の主電流による電圧降下が検出され、過電流・短絡電流保護回路１６に入力される。電流センサ部２８においては電流経路が平行平板状に対向しているので、両検出端子３４、３５間のインダクタンスが小さく、検出電圧は検出端子３４、３５間の抵抗で決まる。従って、検出端子３４、３５間には周波数特性が平坦な、主電流に比例した出力が得られ、モジュールの保護を所定の電流値で正確に行うことができる。このことについて、以下でさらに説明する。
【００１３】
図２は、抵抗挿入による電流検出方法で用いる電流センサ部について説明するための斜視図であり、（ａ）は従来から電流検出用として使用されている平板状抵抗体、（ｂ）はこの発明で抵抗体として用いる平行平板状の折り返し形状の電流センサ部を示す。Ａ、ＢおよびＣ、Ｄは端子であり、太矢印は電流の流れを示す。抵抗体のインピーダンスは、等価的に抵抗成分とインダクタンス成分の直列接続となる。この回路に電流が流れた際の端子間電圧Ｖは
Ｖ＝（Ｒ＋ｊωＬ）Ｉ
である。Ｒは端子間の抵抗、ｊは虚数単位、ωは角周波数、Ｌは端子間のインダクタンス、Ｉは電流である。
図２（ａ）で、板の厚さをｔ、幅をｗ、長さをＬeとする。このような構造体の抵抗は
Ｒ＝Ｒ0×Ｌe／（ｔ×ｗ）
となる。ここでＲ0は板材の抵抗率である。今、ｔを0.1mm、Ｌeを10mm、ｗを10mmとする。また、板材を銅とすると抵抗率Ｒ0は約1.5×10-6Ω・cmである。よって、Ａ、Ｂ間の抵抗は0.3×10-3Ωとなる。
また、Ａ、Ｂ間のインダクタンスＬABは近似的に次式で表わされる。
ＬAB＝ｕ（log(2Ｌe／（ｗ＋ｔ）＋0.5））／2π
ここで、ｕは真空の透磁率である。
従って、Ａ、Ｂ間のインピーダンスＺABは
ＺAB＝0.3×10-3＋ｊ2×3.14×ｆ×2.4×10-7Ω
となる。上式において、ｆは周波数である。
一方、図２（ｂ）に示した折り返し構造の平行平板のインダクタンスＬCDは近似的に次式で表される。
ＬCD＝ｕ×ｄ×Ｌe／ｗ
ここで、ｄは折り返した平板間の間隔である。またＬCDの計算においては簡略化のために板の厚さを無視した。ｄを0.1mmとすると、インダクタンスＬCDは1.3×10-10Ｈとなる。従って、Ｃ、Ｄ間のインピーダンスＺCDは
ＺCD＝0.6×10-3＋ｊ2×3.14×ｆ×1.3×10-10Ω
となる。なお、簡略化のため、高周波電流による表皮効果は無視した。
【００１４】
以上の２種類のそれぞれの場合のインピーダンスの絶対値の周波数特性の計算結果を図３に示した。図２（ａ）に示した従来一般的に用いられてきた平板状抵抗体では図３（ａ）に示すように300Hzから周波数に依存する。一方、図２（ｂ）に示したような本発明の構造、すなわち平行平板状構造として折り返すことにより、図３（ｂ）に示すように600kHzの高周波領域まで周波数に依存しない平坦な特性となる。このように折り返し平行平板状構造にすることでインダクタンスは抵抗分に比較して小さくなり、検出端子間電圧の周波数依頼性が大きく改善される。
以上のように電流の経路を平行平板状に折り返した形状にすることにより、周波数特性が平坦で検出精度の良い電流センサを得ることができる。
また、本電流センサは主電流による導体での電圧降下を検出しているので、電流センス端子を利用した従来技術のように実際にＩＧＢＴ素子のエミッタを流れている電流と検出値とが異なることはない。
【００１５】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２を示すモジュールの斜視図である。図において、４４、４５はエミッタ中継基板２６上に形成された第１、第２の電極パターンであり、互いに少し離隔して配置されている。３８は電流センサ部２８の第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃ間に設けられた絶縁体である。第１の平板状部分２８ａの一端が第１の電極パターン４４に、そして第２の平板状部分２８ｃの一端が第２の電極パターン４５にそれぞれはんだ付けされている。また、モジュールエミッタ電極２７が第２の電極パターン４５にはんだ付けされている。第１の電極パターン４４はアルミニウムワイヤ５１によりダイオード素子４のアノード電極４１およびＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１と接続されている。その他は実施の形態１の場合と同様であるので説明を省略する。
【００１６】
ＩＧＢＴ素子３を流れる主電流はエミッタ中継基板２６上の第１の電極パターン４４から電流センサ２８を通過し、第２の電極パターン４５に流れ、モジュールエミッタ電極２７に流れ込む。電流センサ部２８両端の検出端子３４、３５間の主電流による電圧降下が検出され、過電流、短絡電流保護回路１６に入力される。
【００１７】
この実施の形態でも実施の形態１と同様に、電流センサ２８において主電流の流れる電流経路が平行平板状に対向しているので、検出端子３４、３５間のインダクタンスが小さく、検出電圧は検出端子３４、３５間の抵抗で決まる。従って、周波数特性が平坦な、主電流に比例した出力が得られる。
また、この実施の形態では電流センサ部２８をモジュールエミッタ電極２７とは別個の構造体としてエミッタ中継基板２６上に配置したことにより、電流センサ部２８の配置に関して自由度が増し、異なる構造のモジュールに汎用的にこの電流センサ部２８が適用できる。
【００１８】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３を示すモジュールの平面図、図６は、図５のVI−VI線に沿ったモジュールの断面図である。この実施の形態においては、エミッタ中継基板２６上に、薄膜形成プロセスで平行平板状に折り返した形状の電流センサ部２８が形成されている。すなわち、６１はエミッタ中継基板２６上の電極パターン２９の上に形成された第１の絶縁膜であり、その上に電流センサ部２８の第１の平板状部分２８ａが金属膜で形成され、第１の平板状部分２８ａの一端が電極パターン２９につながっている。６２は第１の平板状部分２８ａ上に形成された第２の絶縁膜であり、その上に第２の平板状部分２８ｃが金属膜で形成されている。第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃは互いに対向して配置され、折れ曲がり部２８ｂによってつながっている。第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃの側部の互いに対向する位置に検出端子３４、３５が設けられている。モジュールエミッタ電極２７がエミッタ中継基板２６上に設けられ、第２の平板状部分２８ｃにつながっている。これらのエミッタ中継基板２６、電極パターン２９、第１の絶縁膜６１、第１の平板状部分２８ａ、第２の絶縁膜６２および第２の平板状部分２８ｃは順次密着して積層されている。上記において金属膜としてはアルミニウムを、また絶縁膜としてはシリコン酸化膜などを用いている。その他については実施の形態１の場合と同様であるので説明を省略する。
【００１９】
この実施の形態では平行平板状の電流センサ部２８をエミッタ中継基板２６上に密着するように形成した。通常、エミッタ中継基板２６の裏面には図８、図９のように放熱板１が設置されるので冷却効率が高くなる。従って、電流センサ部２８自身の発熱による破壊がなく、大きな主電流が流れる電流領域においても測定が可能となる。
また、平行平板状構造のインダクタンスは前述したように２つの平板の互いに対向している面間の距離に比例する。すなわち、第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃ間の距離を決める第２の絶縁膜６２の厚さが薄いほど電流センサ部２８のインダクタンスは小さくなる。
この実施の形態のようにエミッタ中継基板２６上に平行に密着するような構造としたことにより蒸着等の薄膜形成技術により絶縁膜および金属膜を形成し、第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃ間の距離をきわめて小さくすることができる。現在の蒸着等の薄膜形成技術を用いれば、マイクロメートルレベルの非常に薄い絶縁膜、金属膜を作ることができる。従って、電流センサ部のインダクタンスを低減でき、より高周波まで使用可能な電流センサ部を得ることができる。
【００２０】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４におけるモジュールのＩＧＢＴ素子の部分を示す平面図、図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。この実施の形態ではＩＧＢＴ素子３の表面に、実施の形態３の場合と同様の、薄膜形成プロセスで平行平板状に折り返した形状の電流センサ部２８が形成されている。
図７、図８において、９１は電流センサ部２８の第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃ間に設けた絶縁膜であり、第１の平板状部分２８ａがＩＧＢＴ素子３上に密着して形成され、その上に絶縁膜９１と第２の平板状部分２８ｃが順次密着して積層されて、第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃは互いに対向するように形成されている。第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃは、折れ曲がり部２８ｂによって互いにつながり、また第１の平板状部分２８ａはＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１と一体になってつながっている。
９２は、検出端子３４、３５から図示外の過電流・短絡電流保護回路に接続するアルミニウムワイヤである。その他については実施の形態３の場合と同様であるので説明を省略する。
【００２１】
この実施の形態では、実施の形態３と同様に、電流センサ部２８の第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃが、絶縁膜９１を挟んで密着するように形成したので、実施の形態３で説明したように、電流センサ部２８のインダクタンスを小さくすることができ、より高周波まで使用できる。
さらに、この実施の形態では、電流センサ部２８をＩＧＢＴ素子３上に設けたので、モジュール内部に電流センサ部２８のための新たな設置面積が不要であり、モジュールを小形化できる。
なお、上記では電流センサ部２８をＩＧＢＴ素子３上に設置したが、モジュール内部のダイオード素子（図１中に４で示す）上に配置してもよく、同様の効果が得られる。また、ＭＯＳＦＥＴモジュールの場合は、ＭＯＳＦＥＴ上にソース電極とつながって電流センサ部を設けても同様の効果が得られる。
【００２２】
実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５を示すモジュールの斜視図である。この実施の形態では、主電流が流れる経路中に電流センサ部を２つ挿入し両者の検出出力の差分から主電流の値を測定する。
図において、７３はエミッタ中継基板２６上に形成された第３の電極パターンであり、第１、第２の電極パターン４４、４５の間にこれらと少し離隔して配置されている。７５は平行平板状に折り返した形状の第１の電流センサ部であり、第１、第２の平板状部分７５ａ、７５ｃおよび第１、第２の平板状部分７５ａ、７５ｃを互いにつなぐ折れ曲がり部７５ｂからなっている。７６は同様の第２電流センサ部であり、第１、第２平板状部分７６ａ、７６ｃおよび第１、第２の平板状部分７６ａ、７６ｃを互いにつなぐ折れ曲がり部７６ｂからなっている。第１の電流センサ部７５の第１、第２の平板状部分７５ａ、７５ｃの一端がそれぞれ第１、第３の電極パターン４４、７３にはんだ付けされるとともに、第２の電流センサ部７６の第１、第２の平板状部分７６ａ、７６ｃの一端がそれぞれ第３、第２の電極パターン７３、４５にはんだ付けされている。
【００２３】
ここで、第１、第２の電流センサ部７５、７６は互いにインダクタンスが同じで、抵抗が異なるようにする。具体的には、両電流センサ部７５、７６の形状は同一で、材料が異なるようにする。例えば第１の電流センサ部７５の構成材料として銅を用い、第２の電流センサ７６にはアルミニウムを用いる。
そして第１の電流センサ部７５の両端部の検出端子８１、８２から電位差Ｖ１を出力するとともに、第２の電流センサ部７６の両端部の検出端子８３、８４から電位差Ｖ２を出力するようになっている。
７８は第１、第２の電流センサ７５、７６の検出端子８１〜８４から電位差Ｖ1、Ｖ2が入力されてその差分を過電流、短絡電流保護回路１６へ出力する差動増幅回路である。その他は実施の形態２の場合と同様であるので説明を省略する。
【００２４】
ＩＧＢＴ素子３を流れる主電流はアルミニウムワイヤ５１、第１、第２の電流センサ部７５、７６およびモジュールエミッタ電極２７の経路を流れる。第１の電流センサ部７５から出力された電位差Ｖ1と、第２の電流センサ部７６から出力された電位差Ｖ2が差動増幅回路７８に入力され、それら２つの電位差の差分が、過電流・短絡電流保護回路１６に入力される。
第１の電流センサ部７５のインダクタンスをＬ1、抵抗をＲ1とし、第２の電流センサ部７６のインダクタンスをＬ2、抵抗をＲ2とする。主電流ｉが２つの電流センサ部を流れたときの第１、第２電流センサ部７５、７６の出力電圧Ｖ1、Ｖ2は
Ｖ1＝Ｒ1・ｉ＋Ｌ1・di/dt
Ｖ2＝Ｒ2・ｉ＋Ｌ2・di/dt
両者の差分ΔＶは
ΔＶ＝Ｖ1−Ｖ2＝（Ｒ1−Ｒ2）ｉ＋（Ｌ1−Ｌ2）di/dt
となる。第１、第２電流センサ部７５、７６の形状は同一としているので２つの電流センサ部７５、７６のインダクタンスは同じ値となる。従ってΔＶ＝（Ｒ1−Ｒ2）ｉとなり、出力電圧は２つの電流センサ部７５、７６のインダクタンスとは無関係となり、抵抗差のみで決まる。差動増幅後の出力電圧は周波数依存性をもたず、より高周波まで正確な主電流の測定が可能となる。
【００２５】
なお、以上の実施の形態１から実施の形態５で、電流センサ部３を構成する導電性材料に関し、温度による抵抗の変化を考慮する場合は、モジュールの動作温度である−４０℃から１２５℃の温度範囲で抵抗の温度依存性の低い材料の方が好ましい。この場合、銅−ニッケル合金、銅−マンガン−ニッケル合金、銅−ニッケル−亜鉛合金などの材料を用いればよい。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１に係るパワー半導体モジュールによれば、主電流経路中に、平行平板状に折り返した形状を有し、その内部の電位差から主電流を検出する電流センサ部を設けており、電流センサ部は平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を絶縁基板に密着して設けたので、電流センサ部で生じる熱が絶縁基板を経て放散されて、放熱効果が良くなる。また平行平板状導電体間の絶縁膜を薄くすることが可能であり、そうすることにより、電流センサ部のインダクタンスを低減でき、より高周波まで精度良い主電流の測定が可能となる。
請求項２に係るパワー半導体モジュールによれば、主電流経路中に、平行平板状に折り返した形状を有し、その内部の電位差から主電流を検出する電流センサ部を設けており、電流センサ部は平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜が設けられるとともに、一方の平板状部分を半導体素子上に設けたので、絶縁膜を薄くして電流センサ部のインダクタンスを小さくすることができ、また設置のための新たな面積が不要で、モジュールを小形化できる。
【００２７】
請求項３に係るパワー半導体モジュールによれば、主電流経路中に、平行平板状に折り返した形状を有した、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を設けたので、２つの電流センサ部の組み合わせにより、インダクタンスの影響を軽減あるいは無くすことができ、より高周波まで精度良い主電流の測定が可能となる。
請求項４に係るパワー半導体モジュールによれば、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を、モジュール電極と一体にしたので、構造が単純になる。
請求項５に係るパワー半導体モジュールによれば、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部を、絶縁基板上に設けたので、電流センサ部の配置についての自由度が大きくなり、種々の構造のモジュールに汎用的に適用できる。
請求項６に係るパワー半導体モジュールによれば、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を絶縁基板に密着して設けたので、電流センサ部で生じる熱が絶縁基板を経て放散されて、放熱効果が良くなる。また平行平板状導電体間の絶縁膜を薄くすることが可能であり、そうすることにより、電流センサ部のインダクタンスを低減でき、より高周波まで精度良い主電流の測定が可能となる。
請求項７に係るパワー半導体モジュールによれば、インダクタンスが同等の２つの電流センサ部の平行平板状の導電体間に密着して絶縁膜を設けるとともに、一方の平板状部分を半導体素子上に設けたので、絶縁膜を薄くして電流センサ部のインダクタンスを小さくすることができ、また設置のための新たな面積が不要で、モジュールを小形化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１を示すパワー半導体モジュールの斜視図である。
【図２】  この発明の実施の形態１におけるパワー半導体モジュールの電流センサ部を説明するための斜視図である。
【図３】  この発明の実施の形態１におけるパワー半導体モジュールの電流センサ部の周波数特性図である。
【図４】  この発明の実施の形態２を示すパワー半導体モジュールの斜視図である。
【図５】  この発明の実施の形態３を示すパワー半導体モジュールの平面図である。
【図６】  図５のVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態４におけるパワー半導体モジュールのＩＧＢＴ素子の部分を示す平面図である。
【図８】  図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【図９】  この発明の実施の形態５を示すパワー半導体モジュールの斜視図である。
【図１０】  従来のパワー半導体モジュールの平面図である。
【図１１】  従来のパワー半導体モジュールの断面図である。
【図１２】  従来のパワー半導体モジュールの保護回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
３  ＩＧＢＴ素子、４  ダイオード素子、２６  エミッタ中継基板、
２７  モジュールエミッタ電極、２８  電流センサ部、
２８ａ  第１の平板状部分、２８ｂ  折れ曲がり部、
２８ｃ  第２の平板状部分、６２  第２の絶縁膜、７５  第１の電流センサ部、
７６  第２の電流センサ部、９１  絶縁膜。
【図１】
0004220094.tif 000002
【図２】
0004220094.tif 000003
【図３】
0004220094.tif 000004
【図４】
0004220094.tif 000005
【図５】
0004220094.tif 000006
【図６】
0004220094.tif 000007
【図７】
0004220094.tif 000008
【図８】
0004220094.tif 000009
【図９】
0004220094.tif 000010
【図１０】
0004220094.tif 000011
【図１１】
0004220094.tif 000012
【図１２】
0004220094.tif 000013