(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップに電気的に接合された電極と外部接続端子との間に設けられ、主電流通電部と電流遮断部とが並列に配置された遮断機構部、および上記遮断機構部を制御する遮断制御部を備えた半導体装置であって、
上記主電流通電部は、上記半導体チップ側に配置された第１の導体、上記外部接続端子側に配置された第２の導体、上記第１の導体と上記第２の導体との間に配置されたブリッジ導体、上記第１の導体と上記ブリッジ導体、および上記第２の導体と上記ブリッジ導体との間を電気的に接続する半田、上記第１の導体または上記第２の導体のいずれか一方と上記ブリッジ導体とを連結し、少なくとも上記連結部において可とう性を有する可動薄板、上記ブリッジ導体の下部に取り付けられたヒーター、並びに上記ヒーターを上記ブリッジ導体の方向に押圧するように配置されたばねを備え、
上記電流遮断部は、ヒューズを備え、
通常の電流通電時には、上記主電流通電部と上記電流遮断部の抵抗比により主に上記主電流通電部に電流が流れるようにし、
電流遮断時には、上記遮断制御部より上記ヒーターに通電して上記半田を溶かし、上記ブリッジ導体を上記連結部を中心として回動させ、上記第１の導体または上記第２の導体と上記ブリッジ導体とを開離させて上記主電流通電部の通電路を断路し、電流を上記電流遮断部に転流させ、上記ヒューズにて上記電流を遮断することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記主電流通電部は、上記ばねを覆うばねカバー、および上記ばねの押圧方向への上記ばねカバーの移動距離を制限するばねカバーガイドを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記ブリッジ導体は、上記第１の導体または上記第２の導体との上記連結部と異なる側の外壁面に絶縁物が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記遮断制御部は、上記半導体チップの短絡モードを検出する検出装置を備え、上記検出装置が上記短絡モードを検出した際に上記ヒーターに通電することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記ヒューズは、ワイヤの周囲をアルキル基含有樹脂の消弧剤で覆ったことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記ヒューズは、ワイヤの周囲をゲルの消弧剤で覆ったことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置をＵ相、Ｖ相、またはＷ相の少なくともいずれか１相に備えたことを特徴とするインバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体モジュールとして適用される半導体装置およびそれを備えたインバータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換器に使用されるパワー半導体モジュールは、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（以下、「ＩＧＢＴ」と称す）チップなどの半導体チップが複数集められてモジュール化されている。そして、ＩＧＢＴチップに過電流が流れて故障するときは、短絡故障となる場合が大部分であり、そのまま通電を続けると、パワー半導体モジュールを使用したシステム自体の動作に不具合を生じることになる。このためパワー半導体モジュールの内部または外部、または半導体チップに遮断機構を備えている。
遮断機構の例としては、例えば、配線の一部を細くして溶断しやすい構造にしている（例えば、特許文献１参照）。
また、自動車技術用の遮断機構として、ヒューズエレメントが少なくとも２つの接点要素と半田にて接合され、流れる電流により加熱され所定の温度を超えると、半田が軟化または溶融し、ヒューズエレメントと少なくとも２つの接点要素との間の電気的接触がばねにより分離されるように形成されるものがあった（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８６７５３号公報
【特許文献２】特開平１１−３１７１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体技術の進歩により、ＩＧＢＴチップは大容量化しており、高電圧、大電流の電力変換を行うことができるようになってきた。これにともない、従来の遮断機構では対応できなくなってきている。例えば、高電圧、大電流の電力変換においては、特許文献１に示される遮断機構において、配線の一部を溶断するとアーク電流が発生する。電圧が低いときはアーク電流が発生してもすぐ消弧され遮断されるが、電圧が高いときは消弧することが困難になり、単に配線を溶断するだけでは電流遮断が困難となり電流が流れ続ける。
また、特許文献２に記載の遮断機構においても、同様にヒューズエレメントと少なくとも２つの接点要素との間の電気的接触がばねにより分離されるとき、アークが発生する。電圧が低いときはアークが発生してもすぐ消弧され遮断されるが、電圧が高いときは消弧することが困難になり、単に電気的接触をばねにより分離するだけでは電流遮断が困難となり電流が流れ続ける。
【０００５】
一方、高電圧、大電流を遮断可能なブレーカや電磁開閉器は、アーク電流を消弧するため接点の開閉速度を速くするとともに、アークの冷却を促進する工夫がなされているが、このような工夫を施されているため遮断機構のサイズは大きくなり、コストも高くなる。
【０００６】
また、一般の配電盤等の遮断では短絡時の電流が通電時の電流に比べてはるかに大きいことを利用して、通常通電時の電流では遮断動作はしないが、短絡時の大電流の短絡電流では遮断動作するようにしている。例えば、ジュール熱で配線を焼き切る、または電磁力によりスイッチを切るなどの遮断機構を構成することができる。しかし、半導体装置を適用する系ではインピーダンスが大きく、通常通電時と短絡時の電流の大きさがほとんど変わらないため、従来の遮断機構を適用することは困難である。
【０００７】
この発明の目的は、高電圧・大電流で動作する半導体チップの故障時の短絡電流を信頼性よく遮断でき、かつ小型、低コストの半導体装置を提供することである。
また、このような半導体装置を備え、信頼性が高く、かつ小型、低コストのインバータシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る半導体装置は、半導体チップに電気的に接合された電極と外部接続端子との間に設けられ、主電流通電部と電流遮断部とが並列に配置された遮断機構部、および上記遮断機構部を制御する遮断制御部を備えた半導体装置であって、
上記主電流通電部は、上記半導体チップ側に配置された第１の導体、上記外部接続端子側に配置された第２の導体、上記第１の導体と上記第２の導体との間に配置されたブリッジ導体、上記第１の導体と上記ブリッジ導体、および上記第２の導体と上記ブリッジ導体との間を電気的に接続する半田、上記第１の導体または上記第２の導体のいずれか一方と上記ブリッジ導体とを連結し、少なくとも上記連結部において可とう性を有する可動薄板、上記ブリッジ導体の下部に取り付けられたヒーター、並びに上記ヒーターを上記ブリッジ導体の方向に押圧するように配置されたばねを備え、
上記電流遮断部は、ヒューズを備え、
通常の電流通電時には、上記主電流通電部と上記電流遮断部の抵抗比により主に上記主電流通電部に電流が流れるようにし、
電流遮断時には、上記遮断制御部より上記ヒーターに通電して上記半田を溶かし、上記ブリッジ導体を上記連結部を中心として回動させ、上記第１の導体または上記第２の導体と上記ブリッジ導体とを開離させて上記主電流通電部の通電路を断路し、電流を上記電流遮断部に転流させ、上記ヒューズにて上記電流を遮断するものである。
【０００９】
また、この発明に係るインバータシステムは、上記構成の半導体装置をＵ相、Ｖ相、またはＷ相の少なくともいずれか１相に備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る半導体装置においては、通常の電流通電時には、通電路を導体で構成した主電流通電部に電流が流れるようにしたことにより、ワイヤで構成した従来の遮断機構より大きな電流を流すことができる。また、電流遮断時には、ブリッジ導体を接続している半田を溶かし、ばねにてブリッジ導体を押し上げて主電流通電部の通電路を断路し、主電流通電部と並列に構成された電流遮断部に電流を転流し、電流遮断部のヒューズを溶断して電流を遮断するので、安定した転流遮断が行えるため、信頼性よく、かつ小型で低コストの半導体装置となる。
【００１１】
また、この発明に係るインバータシステムにおいては、上記構成の半導体装置をＵ相、Ｖ相、またはＷ相の少なくともいずれか１相に備えるので、信頼性が高く、かつ小型、低コストのインバータシステムが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体装置を示すブロック構成図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す断面構成図、図３は本実施の形態に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
本実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、半導体モジュール１００に電気的に接続された遮断機構部２１と、遮断機構部を制御する遮断制御部２０とを備えている。
遮断機構部２１は、主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとが並列に配置されている。遮断制御部２０は、電流異常を検出する検出装置２２を備えるとともに、検出装置２２により電流異常を検出すると主電流通電部２１ａのヒーター３５（図３）に電流を流すヒーター電源７を備えている。
【００１３】
図２において、半導体モジュール１００は、例えばＩＧＢＴチップなどである半導体チップ１、半導体チップ１が半田８により接合されているセラミック基板９、およびセラミック基板９が接合されているベース板１０を有する。
また、半導体モジュール１００は、半導体チップ１の表面に形成された半田付けに適したメタル層２、メタル層２に半田８により接合されている配線板３を有する。
半導体チップ１、セラミック基板９、配線板３、ベース板１０等は樹脂１１でモールドされている。
なお、配線板３は、遮断機構部２１に接続され、遮断機構部２１を介して一方の外部接続端子４に接続される。
また、半導体チップ１は、制御信号配線１２により他方の外部接続端子１３に接続されている。
【００１４】
図２の断面構成図においては、遮断機構部２１の電流遮断部２１ｂの断面を示している。電流遮断部２１ｂはヒューズを備え、例えばワイヤ５が消弧剤としてのゲル６に覆われた構成となっている。また、ワイヤ５の一方は配線板３に、他方が外部接続端子４に接続されている。
ワイヤ５は銅ワイヤやアルミワイヤが用いられる。ワイヤ５の本数と断面積は、遮断する電流値と必要な溶断時間によって決めるものである。
【００１５】
図２の断面構成図には図示していないが、前述のように、電流遮断部２１ｂと並列に主電流通電部２１ａが半導体モジュール１００の配線板３に接続されている。
以下、図３により主電流通電部２１ａの構成を説明する。
絶縁ベース４０を挟んで、Ｌ字状の第１の導体３１と第２の導体３２とが配置され、各一端を橋絡するようにブリッジ導体３３が配置されている。
第１の導体３１とブリッジ導体３３との間、および第２の導体３２とブリッジ導体３３との間は半田３４にて電気的に接続されている。
また、ブリッジ導体３３と第２の導体３２とは可動薄板４１にて連結されており。可動薄板４１は、少なくとも上記連結部において可とう性を有する。
ブリッジ導体３３の下部にはセラミックヒーター３５が接着剤により物理的に取り付けられている。
また、ばね３７がばねカバー３６を介して、セラミックヒーター３５を図の上方（ブリッジ導体３３の方向）に押し上げるように縮められて配置されている。
また、ばねカバー３６の底部に、ばねカバー突起部３６ａを設けると共に、絶縁ベース４０に、ばね３７とばねカバー３６との動きを規制するばねカバーガイド４０ａを設け、ばね３７が伸びたとき、ばねカバー３６の底部に設けたばねカバー突起部３６ａと、絶縁ベース４０に設けたばねカバーガイド４０ａが接触し、ばね３７およびばねカバー３６が外れて飛び出さないように構成されている。
半導体モジュール１００の配線板３と、上記第１の導体３１の外部接続部３１ａとが電気的に接続され、主電流が、第１の導体３１、ブリッジ導体３３、第２の導体３２を通り、第２の導体３２の外部接続部３２ａから外部端子４に流れる。
【００１６】
第１の導体３１、第２の導体３２、およびブリッジ導体３３の材料は主に銅やアルミが用いられる。
また、ヒーター３５は、図示していないがヒーター電源７と接続されている。
【００１７】
図示しないが、遮断制御部２０の検出装置２２は、コレクタ／エミッタ間を流れる電流を計測できる位置、たとえば外部接続端子４または配線板３にセンサを設け、該センサが計測した電流の波形を解析して半導体チップ１で短絡故障が発生したことを検出する。
これにより、通常動作時と短絡時とで電流値の大きさがほとんどかわらない場合であっても、通常動作時と短絡時との電流波形の違いを利用して、容易に短絡故障を検知することができる。
短絡故障を検出する原理は、通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため、通常動作時と短絡時との電流波形が異なることに基づくもので、検出装置２２は上記電流波形の違いを解析して短絡故障を検出する。
検出装置２２は、ゲート・オフ時にコレクタ／エミッタ間を電流が流れることをもって短絡発生と判断する。コレクタ／エミッタ間の電流は、図４に示すように、通常時は所定のサイクルでＯＮ・ＯＦＦされる。すなわち、ゲート・オフ時にはコレクタ／エミッタ間の電流が実質的に０となる。この時間帯に電流が流れていれば異常と判断する。具体的には以下のような方法が考えられるがこれは例示であり、これらに限るものではない。
【００１８】
１つの方法として、図５に示すように、電流波形を測定し、その時間変化から、このような実質的に電流０（すなわち、電流値が所定の第１の電流値Ｉ0以下）となる時間が所定時間続くか（またはサイクリックに繰り返されるか）どうかを見ることで異常を判断する。
たとえば、図示しないコンパレータを用いて電流値Ｉが所定の第１の電流値Ｉ0以下を継続する時間αk（ｋは電流値Ｉ0以下を継続する時間が出現する度に付けられる連番である）を求め、求めた時間αkが所定の第１の時間αTH以下であれば異常とする。この第１の時間αTHは通常時のαk0から時間のばらつきを考慮した尤度を減算した値である。
【００１９】
また、他の方法として、電流値Ｉが所定の第２の電流値Ｉ1以上を継続する時間βk（ｋは電流値Ｉ1以上を継続する時間が出現する度に付けられる連番である）を求め、求めた時間βkが所定の第２の時間βTH以上であれば異常とする。この第２の時間βTHは通常時のβk0に時間のばらつきを考慮した尤度を加算した値である。
また、他の方法として、電流値Ｉが所定の第３の電流値ＩTH以上のとき異常とする。
【００２０】
また、図６に示すように、検出装置２２でゲート電圧を併せて計測し、この電圧が実質０である時間帯（すなわちゲート・オフ時）にコレクタ／エミッタ間に電流が流れた場合は異常とする。すなわち、この方法では半導体チップの一部をセンサとして利用している。
【００２１】
次に、この発明の実施の形態１による半導体装置の動作について説明する。
半導体チップ１に過電流が流れることにより発生する故障の場合、短絡故障するケースが大部分である。そして、短絡故障した場合、半導体チップ１を流れる電流は配線板３を流れ、それから並列接続された主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとを流れる。このとき主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとにそれぞれ流れる電流は、主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとの抵抗比により決まり、電流は主に抵抗の低い主電流通電部２１ａに流れる。
コレクタ／エミッタ間を流れる短絡電流を、例えば外部接続端子４または配線板３に設けたセンサで計測し、検出装置２２で解析して短絡故障が発生したことを検出する。
短絡故障を検出した検出装置２２は、ヒーター電源７にヒーター電源７をオンするように指令する。
オンするように指令されたヒーター電源７は、ヒーター３５に電力を供給する。
【００２２】
ヒーター３５は、電力が供給されると、発熱してブリッジ導体３３を加熱し、第１の導体３１と第２の導体３２との接続部の半田３４を溶かし、半田３４の接着力よりばね３７の押上げる力が勝ると、図７に示すようにブリッジ導体３３を図の上方に押上げようとするが、ブリッジ導体３３と第２の導体３２とを可動薄板４１にて連結しているため、ブリッジ導体３３と第２の導体３２との連結部を中心としてブリッジ導体３３が回動し、ブリッジ導体３３と第１の導体３１との接続部が開離する。
また、ばね３７の押上力により、ばね３７とばねカバー３６とが上方に所定距離動くと、ばねカバー３６の底部に設けたばねカバー突起部３６ａと、絶縁ベース４０に設けたばねカバーガイド４０ａが接触し、ブリッジ導体３３と第１の導体３１との間には一定の隙間ができ、主電流通電部２１ａの通電路が断路する。
【００２３】
なお、上記隙間は、次の段階で電流遮断部３１ｂのワイヤ５が溶断された際に発生する再起電圧に耐えうる距離が必要である。
また、上記可動薄板４１としては、たとえば片面に粘着性を有する絶縁性のカプトンテープ、あるいは片面に粘着性を有する導電性のアルミテープや銅テープ等を用いても良い。
また、ブリッジ導体３３と第２の導体３２との連結部において可とう性を有するものであれば樹脂あるいは導電体の板や編組線を接着して用いてもよい。また、接着でなくても機械的に固定されていれば良い。
【００２４】
なお、図３、図７に示す主電流通電部２１ａにおいては、ブリッジ導体３３と第２の導体３２とを可動薄板４１で連結したが、ブリッジ導体３３と第１の導体３１とを可動薄板４１で連結し、ヒーター３５への通電により、ブリッジ導体３３と第２の導体３２との接続部が開離するようにしてもよい。
【００２５】
次に、ブリッジ導体３３と第１の導体３１あるいは第２の導体３２との間に隙間ができ、主電流通電部２１ａの通電路が断路すると同時に、主電流通電部２１ａと並列に接続された電流遮断部２１ｂのワイヤ５に電流が転流される。
ワイヤ５の抵抗は回路のインピーダンスに比べ十分小さいので、転流の際にブリッジ導体３３と第１の導体３１あるいは第２の導体３２との間にできた隙間にアークが発生することはない。
【００２６】
ワイヤ５にすべての電流が流れるため、ワイヤ５はある一定時間を持って溶断する。電圧がかかったワイヤ５が溶断すると、溶断したワイヤ５間にアークが発生する。アーク内は１万〜２万℃と非常に高温となり、ワイヤ５を覆っているゲル６を瞬時に気化する。
気化したゲル６中には水素が多く含まれており、水素は熱伝導率が高いので、アークを効率良く冷却する。また、ゲル６が気化するときのガスの流れでアークを吹き消し、アークが消弧され、短絡電流が遮断される。
【００２７】
なお、この段階で回路電圧より高い再起電圧が配線板３と外部接続端子４との間にかかるが、前述のように、ブリッジ導体３３と第１の導体３１あるいは第２の導体３２との間の距離を十分とっていれば、この間でアークが発生することはない。この距離は、ばねカバー突起部３６ａとばねカバーガイド４０ａとの間隔で調整することができる。
【００２８】
実験では、ブリッジ導体３３と第１の導体３１あるいは第２の導体３２との間に隙間ができ、主電流通電部２１ａの通電路が断路すると同時に、ワイヤ５に主電流通電部２１ａを流れる電流が転流される時間は、およそ０．２ｍｓであった。転流後３ｍｓ後にワイヤ５が溶断し、アーク電圧が発生、電流零点にてアークは消弧され遮断に成功した。実験には直径０．３２ｍｍの銅線ワイヤ５を用いた。
【００２９】
半導体装置を適用する系では回路のインピーダンスが大きいため、短絡時も通常動作時に比べて配線板３を流れる電流値はさほど大きくないので、短絡電流が通常電流よりはるかに大きくなることにより、発熱量や電磁力が極端に大きくなることを利用した一般の遮断方法を採用することはできない。
しかし、逆に短絡電流がさほど大きくないため、一般の遮断の場合より遮断に至る時間が長くても許容される。本実施の形態のように、ヒーター３５の熱で主電流通電部２１ａのブリッジ導体３３の接続半田３４を溶かし、配線を断路する方法は数秒から数分といった時間がかかる遮断方法であり、遮断の即応性を求められる遮断方法としては適用できないが、半導体装置を適用する系では本実施の形態が適用可能である。
【００３０】
また、本発明では、主電流通電部２１ａからワイヤ５に短絡電流を転流し、ワイヤ５にて遮断を行うが、通常の電流通電時にはワイヤ５には電流がほとんど流れないので、ワイヤ５の断面積を小さくしておく。短絡時のみ全電流が断面積の小さいワイヤ５に流れるが、断面積が小さい方がワイヤ５が溶断し易く、また溶断で形成されるアークのアーク径を小さくでき消弧しやすくなるので、アークの消弧に対してより有効となる。
また、ワイヤ５を図２に示すように円弧状に曲率をもたせることにより、アークも曲率をもつように発生し、アーク電流によって発生する電磁力によって円弧の外側にアークが駆動され距離が長くなるため、アーク電圧がさらに高くなり、消弧しやすくなる。
【００３１】
また、本発明では、主電流通電部２１ａの導通路となる第１の導体３１、第２の導体３２、およびブリッジ導体３３を、銅やアルミニウム等の板で構成でき、断面積を大きくとりやすいため、通常の電流通電時に大きな電流を流すことができる。
上記主電流通電部２１ａの導通部をワイヤで置き換え、該ワイヤをヒーター３５での加熱により溶断する構成とすると、電流通電のための断面積を稼ぐために多数のワイヤが必要となり、ヒーター３５での加熱による上記ワイヤの溶断も時間がかかるが、本実施の形態では、複数の導体を半田３４で接続し、該半田３４をヒーター３５の加熱により溶融させるので、半田３４の溶融量を少なくでき、瞬時の断路が可能となる。
【００３２】
また、ばね３７により押し上げられるブリッジ導体３３を、可動薄板４１にて第１の導体３１あるいは第２の導体３２に連結しているため、確実に断路でき信頼性が向上する。
すなわち、前述の特許文献２に示された構成を本実施の形態の主電流通電部２１ａに適用すると、ばねが伸びた際に、ばねおよびブリッジ導体が外れて飛び出すが、飛び出した際に、ばねが第１の導体と第２の導体との間に何らかの理由で引っかかって残った場合や、ばねまたはブリッジ導体が跳ね返って戻ってきた場合、第１の導体３１と第２の導体３２との間がショートし、断路することができず、アークがこの間で発生することになり遮断に失敗する。また、飛び出したブリッジ導体が半導体装置の充電部に触れ、半導体装置をショートさせ破損する恐れがあるが、本実施の形態の主電流通電部２１ａの構成では、ブリッジ導体３３を、可動薄板４１にて第１の導体３１あるいは第２の導体３２に連結しているため、ブリッジ導体３３が半導体装置の充電部に触れることが防げる。
また、本実施の形態では、ばね３７が伸びた際に、ばねカバー３６の底部に設けたばねカバー突起部３６ａと、絶縁ベース４０に設けたばねカバーガイド４０ａとが接触し、ばねおよびばねカバー３６が外れて飛び出さないように構成されているので、半導体装置をショートさせたり、破損したりする恐れがない。そのため、断路に失敗することなく、並列に接続されたワイヤ５に確実に転流することができる。また、断路に必要な距離の確保にも役立つ。
【００３３】
また、本実施の形態において、主電流通電部２１ａから電流遮断部２１ｂに電流が転流後は、ワイヤ５が溶断しアークが発生するが、本発明ではワイヤ５の断面積を大きくする必要がないので、アークの消弧が容易となり、主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとを並列にした構成により、高電圧、大電流の半導体装置に対する遮断機構を小型化、低コスト化できる。
また、ワイヤ５は消弧剤６に埋め込まれているので、確実にアークを消弧することができる。
また、消弧剤としてゲル６を使用しているので、アークにより冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
また、アルキル基を含有するナイロン樹脂またはポリイミド樹脂などを消弧剤として使用しても、アークにより冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
したがって、外形を大きくすることなく、主電流通電部２１ａと電流遮断部２１ｂとを並列にした構成により、高電圧、大電流に対する電力変換に対しても、短絡電流を容易に遮断できる遮断機構を備えた半導体装置を提供することができる。
【００３４】
次に、実施の形態１による半導体装置を備えたインバータシステムについて説明する。
図８は、この発明の実施の形態１による半導体装置を備えるインバータシステムの回路図である。このインバータシステムは、直流電力をＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流電力に変換し、また３相交流電力を直流電力に変換する。
そして、相毎の各アームは、ＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆと、ＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆに並列接続されたダイオード８１ａ〜８１ｆとから構成されている。上下のアームが直列に接続されている部分をレグと称す。
直流電力はレグの両端から入出力され、交流電力は各レグのアーム間から入出力される。そして、各レグのアーム間にモータジェネレータ８５の巻線が接続されている。
また、モータジェネレータ８５のＵ相の巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構部２１Ｕが、モータジェネレータ８５のＶ相の巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構部２１Ｖが介設されている。
遮断制御部２０（図８では図示を略す）が設置され、検出装置により事故電流を検出すると、ヒーター電源７から遮断機構部２１Ｕ、２１Ｖのヒーター３５に電流を供給する。
【００３５】
このような遮断機構部２１Ｕ、２１Ｖは、例えばハイブリッド自動車において使用されているインバータシステムで故障モードが発生したとき有効となる。図８においてインバータシステムはモータジェネレータ８５が発電した回生電流を制御する。
例えば、インバータシステムのＩＧＢＴチップ８０ｂに過電流が流れて短絡した場合、図８に示すように、短絡したＩＧＢＴチップ８０ｂ、ダイオード８１ｄ、８１ｆ、モータジェネレータ８５の巻線を経由する電流路が形成され、故障していないＩＧＢＴチップ８０ｄ、８０ｆのスイッチがオフの場合でも電流が流れる。ハイブリッド自動車が走行中の場合や牽引車に牽引されて走行状態に入ると、モータジェネレータ８５に起電力が生じ、電流路に回生電流が望まないのに流れ、不具合を生ずる。
ここで図８に示すように遮断機構部２１Ｕ、２１Ｖを設置するとこのような回生電流が流れることはなく、モータジェネレータ８５を電気的に遮断することができる。
【００３６】
なお、上述のインバータシステムではＵ相とＶ相との２相に遮断機構部２１Ｕ、２１Ｖを設けたが、３相のうちの少なくとも任意の２相を選択して設ければ足りる。もちろん３相すべてに遮断機構部２１を設けるとより確実に回生電流を遮断できる。
また、単相として利用する場合は遮断機構部２１を利用する単相部分に１つ設けるだけでよい。
【００３７】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る主電流通電部を示す断面構成図であり、主電流通電部２１ａのブリッジ導体３３がばね３７によって水平方向に押圧されるように配置された構成を示すものである。図９は図７に示した実施の形態１の主電流通電部２１ａを左回りに９０°回転させた構成である。図３、図７に示した実施の形態１と同様な部分には同じ符号を付した。
本実施の形態２の半導体装置は、主電流通電部２１ａ以外の構成は実施の形態１と同様であり、同様の動作を行い、同様の効果がえられる。
主電流通電部２１ａは、短絡故障時には、ブリッジ導体３３と第２の導体３２とが可動薄板４１にて連結しているため、この連結部を中心としてブリッジ導体３３が回動し、ブリッジ導体３３と第１の導体３１との接続部が開離し、主電流通電部の通電路を断路する。
【００３８】
本実施の形態２のブリッジ導体３３は、ばね力により一時的に開きすぎた状態になっても図９の状態にもどり、自重でばねカバー３６と接触した状態で開離距離を確保できるため、安定した開離状態を保てるので、ショートする可能性もなく、断路を確実に行うことができ、信頼性が向上する。
また、横方向にブリッジ導体３３が開くため、半導体装置の上部に配置される他の基盤等の装置に接することなく、他の機器のショートなどによる損傷を避けることができる。
さらに、他の機器が上下に組み込まれた場所での高さ方向の制限に対し、ブリッジ導体３３の開離方向を横方向にしたことで、動作時を含め必要な高さを低くすることができる。
【００３９】
実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３に係る主電流通電部を示す断面構成図であり、主電流通電部２１ａのブリッジ導体３３がばね３７によって水平方向に押圧されるように配置すると共に、ブリッジ導体３３と第１の導体３１とを可動薄板４１にて連結し、連結部を下側に、ブリッジ導体３３と第２の導体３２との接続部を上側に配置した構成を示すものである。図３、図７に示した実施の形態１と同様な部分には同じ符号を付した。
【００４０】
本実施の形態３の半導体装置は、主電流通電部２１ａ以外の構成は実施の形態１と同様であり、同様の動作を行い、同様の効果がえられる。
短絡故障を検出した検出装置２２は、ヒーター電源７にヒーター電源７をオンするように指令する。
ヒーター３５は電力が供給されると発熱してブリッジ導体３３を加熱し、ブリッジ導体３３と第１の導体３１および第２の導体３２との接続部の半田３４が溶け、半田３４での接着力よりばね３７の押圧力が勝ると、図１０に示すようにブリッジ導体３３を図の横方に押上げようとするが、ブリッジ導体３３と第１の導体３１とを可動薄板４１にて連結しているため、連結部を中心にブリッジ導体３３と第２の導体３２との接続部が開離する。
なお、この際、本実施の形態では自重で図１０に示すようにほぼ１８０°開離し、下方に垂れるようになるが、半導体モジュール１００が実装されている場合は、半導体モジュール１００に接触することになるので、半導体モジュール側に絶縁を行う必要がある。
【００４１】
本実施の形態では、ブリッジ導体３３が自重で大きく開離するため、ブリッジ導体３３と第２の導体３２との開離距離を大きくとることができると共に、ブリッジ導体３３が再度閉じることがなく、安定した開離状態を保てるので、ショートする可能性もなく、断路を確実に行うことができ、信頼性が向上する。
また、横方向にブリッジ導体３３が開くため、半導体装置の上部に配置される他の基盤等の装置に接することなく、他の機器のショートなどによる損傷を避けることができる。
【００４２】
図１１はこの発明の実施の形態３に係る他の主電流通電部を示す断面構成図である。図１１に示す主電流通電部２１ａは、図１０に示すブリッジ導体３３の半導体モジュール１００と接触する部位（ブリッジ導体を可動薄板により第１の導体または第２の導体と連結している側と異なる側のブリッジ導体外壁面）に絶縁物３８を取り付け、半導体モジュール１００をショートし破損させないように構成したものである。
このような構成にすることにより、半導体モジュール１００とショートする可能性がなくなる。
また、他の機器が上下に組み込まれた場所での高さ方向の制限に対し、ブリッジ導体３３の開離方向を横方向にしたことで、動作時を含め必要な高さを低くすることができる。
その他の構成は図１０と同様であり、同様の動作と効果がえられる。
【００４３】
なお、図１１に示す主電流通電部では、ブリッジ導体３３の開離時にブリッジ導体３３が半導体モジュール１００と接触する部位に絶縁物３８を設けたが、実施の形態１および実施の形態２の構成においても、ブリッジ導体３３の、第１の導体３１または第２の導体３２との連結部と異なる側の外壁面に絶縁物３８を設けてもよく、その場合、半導体モジュール１００と接する可能性がある場合はその絶縁ができる。
また、半導体装置の上部に配置された基盤等の機器とブリッジ導体３３とが接触する可能性がある場合においても絶縁がなされるため、上部に配置された基盤等の機器を損傷することなく安定にブリッジ導体３３を開離することができ、信頼性の向上が図れる。
【００４４】
なお、上記各実施の形態において、ヒーター３５はブリッジ導体３３の下部に接着剤により取り付けられた構成を示したが、ヒーター３５をばねカバー３６の上部に接着剤により取り付ける構成とし、動作時にブリッジ導体３３と離れ、ばねカバー３６上部に接着配置された構成でも良い。
また、ヒーター３５は、半田３４による接着個所に沿って設置するようにしてもよい。
また、ブリッジ導体３３および半田３４に対向するヒーター面を除いて上記ヒーター３５を断熱材で囲み、熱効率を改善するようにしてもよい。
さらに、ヒーター３５の形状も円形、矩形等、設置個所に合わせて任意の形状とすればよい。
ヒーター３５は、半田を溶融または軟化させる温度に達すればよいため、電流を流し発熱するものであれば良く、たとえばマンガニン線やニクロム線またはカーボンペースト等のペースト状のヒーターなどでもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態２、３に示した主電流通電部２１ａを、実施の形態１で示したものと同様のインバータシステムに適用すれば、より確実に短絡電流を遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置を示すブロック構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す断面構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
【図４】通常時にコレクタ／エミッタ間に流れる電流の波形を示すグラフである。
【図５】異常と判断されるときのコレクタ／エミッタ間に流れる電流の波形を示すグラフである。
【図６】コレクタ／エミッタ間に流れる電流の計測と合わせてゲート電圧を計測して異常を検出する場合の回路図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
【図８】この発明の実施の形態１による半導体装置を備えるインバータシステムの回路図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係る主電流通電部を示す断面構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る他の主電流通電部を示す断面構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体チップ、２  メタル層、３  配線板、４  外部接続端子、５  アルミワイヤ、６  消弧剤、７  ヒーター電源、８  半田、９  セラミック基板、１０  ベース板、１１  モールド樹脂、１２  制御信号配線、１３  端子、２０  遮断制御部、２１  遮断機構部、２１ａ  主電流通電部、２１ｂ  電流遮断部、２２  検出装置、３１  第１の導体、３１ａ  第１の導体の外部接続部、３２  第２の導体、３２ａ  第２の導体の外部接続部、３３  ブリッジ導体、３４  半田、３５  ヒーター、３６  ばねカバー、３６ａ  ばねカバー突起部、３７  ばね、３８  絶縁物、４０  絶縁ベース、４０ａ  ばねカバーガイド、４１  可動薄板、８０ａ〜８０ｆ  ＩＧＢＴチップ、８１ａ〜８１ｆ  ダイオード、８５  モータジェネレータ、１００  半導体モジュール。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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