JP2011243909A - 半導体モジュール及び半導体モジュールを搭載した回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤ本数及び温度センス用パッドと接続するための信号端子数の低減を図り、小型化が可能な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂと、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂをそれぞれ搭載した第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを備え、第１及び第２半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子２１ａに温度測定素子２５を形成し、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ並びに第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのうち一方の半導体スイッチング素子２１ａの温度測定素子２５のみに温度測定端子２２ｂを接続した。
【選択図】図５
【解決手段】直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂと、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂをそれぞれ搭載した第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを備え、第１及び第２半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子２１ａに温度測定素子２５を形成し、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ並びに第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのうち一方の半導体スイッチング素子２１ａの温度測定素子２５のみに温度測定端子２２ｂを接続した。
【選択図】図５
Description
この発明は、半導体スイッチング素子を樹脂封止した半導体モジュール及びその半導体モジュールを搭載した車両用等の回転電機に関するものである。
従来の半導体装置として、半導体素子と、上記半導体素子の一面側に設けられ電極と放熱体を兼ねる第１の金属体と、上記半導体素子の他面側に設けられ電極と放熱体を兼ねる第２の金属体と、上記半導体素子、第１の金属体及び第２の金属体を包み込むように封止するモールド樹脂とを備え、上記半導体素子は隣り合って配置された２個のＩＧＢＴ素子であり、上記２個のＩＧＢＴ素子はそれぞれ素子の温度検出を行うための温度センス用パッドを有しており、上記２個のＩＧＢＴ素子のうちどちらか一方のみの上記温度センス用パッドが外部と電気的に接続される端子に電気的に接続されているものがあった。
上記従来の半導体装置において、上記２個のＩＧＢＴ素子は並列に接続され、主電極となる取り出し電極となる端子部を２個備えている。この半導体装置を、例えば車両用回転電機のインバータの上下アームのスイッチング素子として使用する場合、上下アームの各スイッチング素子として上記半導体装置が１個ずつ必要となり、部品点数及び設置面積が増大する問題があった。また、上下アームの半導体装置のそれぞれに温度センス用パッドと接続するための信号端子が必要となり、ワイヤ本数及び温度センス用パッドと接続する信号端子数が増えることになり結果として半導体装置のサイズが大きくなり、半導体装置を設置する面積が増大していた。
この発明は上記の問題点を解消するためになされたものであり、半導体モジュールのワイヤ本数及び温度センス用パッドと接続するための信号端子数の低減を図り、小型化が可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。また、この小型化した半導体モジュールを搭載することで設置面積の低減が図れる回転電機を提供することを目的とする。
この発明に係る半導体モジュールは、直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子と、上記第１及び第２半導体スイッチング素子をそれぞれ搭載した第１及び第２金属フレームを備え、上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子に温度測定素子を形成し、上記第１及び第２半導体スイッチング素子並びに上記第１及び第２金属フレームを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続したものである。
この発明に係る回転電機は、ブラケットと、上記ブラケットに設置され固定子巻線を有する固定子と、上記ブラケットに回転自在に支持された回転軸に設置された回転子と、上記固定子巻線に流れる電流を制御するための上下アームのスイッチング素子を有するパワー回路部を備え、上記パワー回路部として、この発明に係る半導体モジュールを備え、上記パワー回路部の上下アームのスイッチング素子として、上記半導体モジュールの上記第１及び第２半導体スイッチング素子を使用したものである。
この発明によれば、半導体モジュールのワイヤ本数及び温度測定素子と接続する温度測定端子数を低減することができ、大幅に小型化が可能な半導体モジュールを提供することできる。また、この小型化した半導体モジュールを搭載することでパワー回路部の設置面積の低減が図れる回転電機を提供することができる。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体モジュールを搭載した回転電機の全体構造を示す断面図である。図１の回転電機は制御装置一体型の車両用回転電機を示しており、この回転電機１００は、ハウジングとしてのブラケット１に設置された固定子２と、ブラケット１に回転自在に支持された回転軸５０に設置された回転子３を備えている。固定子２は固定子鉄心２ａと固定子巻線２ｂを有している。回転子３は回転子鉄心３ａと界磁巻線３ｂを有している。回転軸５０には、界磁巻線３ｂと電気的に接続されるスリップリング５ａを有するスリップリング部５が設けられている。回転子鉄心３ａの回転軸方向端部には冷却ファン６が設けられている。ブラケット１内にはスリップリング５ａと電気的に接触するブラシ７を有するブラシホルダ８が設けられている。
図１はこの発明の実施の形態１による半導体モジュールを搭載した回転電機の全体構造を示す断面図である。図１の回転電機は制御装置一体型の車両用回転電機を示しており、この回転電機１００は、ハウジングとしてのブラケット１に設置された固定子２と、ブラケット１に回転自在に支持された回転軸５０に設置された回転子３を備えている。固定子２は固定子鉄心２ａと固定子巻線２ｂを有している。回転子３は回転子鉄心３ａと界磁巻線３ｂを有している。回転軸５０には、界磁巻線３ｂと電気的に接続されるスリップリング５ａを有するスリップリング部５が設けられている。回転子鉄心３ａの回転軸方向端部には冷却ファン６が設けられている。ブラケット１内にはスリップリング５ａと電気的に接触するブラシ７を有するブラシホルダ８が設けられている。
また、ブラケット１内には、円盤状のヒートシンク１０と、固定子巻線２ｂに電力を供給するためのパワー回路部２０と、界磁巻線３ｂに電流を供給するための界磁回路部３０と、固定子巻線２ｂとパワー回路部２０とを中継するための配線部材１４と、パワー配線等のターミナルがインサートされたケース１２と、回転角度検出のためのレゾルバ９が設けられている。ブラケット１の外部には、パワー回路部２０及び界磁回路部３０を制御するための制御基板１５ａを有する制御回路部１５が設けられている。
図２は図１の回転電機を矢印Ａ方向からみた側面図であり、ヒートシンク１０上にパワー回路部２０及び界磁回路部３０が搭載された様子を示している。パワー回路部２０及び界磁回路部３０は、それぞれ１個のモールド封止型モジュールからなり、ヒートシンク１０の同一面上に絶縁性接着剤１６（図１参照）で固着されている。ヒートシンク１０は、円盤状の形状をしており、パワー回路部２０及び界磁回路部３０の裏面側にそれぞれ冷却フィン１０ａが配置されている。ヒートシンク１０を円盤状にすることで、ブラケット１内の配置スペースを有効に使うことができ、ヒートシンク１０のサイズを最大限とることができると共に、パワー回路部２０及び界磁回路部３０の設置スペースの確保や冷却フィン面積の確保を行うことが可能となる。
また、ヒートシンク１０には、パワー配線等がインサートされたケース１２がパワー回路部２０及び界磁回路部３０の周りを囲うように接着剤で固着されている。さらに、パワー回路部２０及び界磁回路部３０の第１辺部に設けられたパワー配線端子２４がケース１２側のパワー配線のターミナルに接合されている。そして、パワー回路部２０及び界磁回路部３０の第２辺部に設けられた制御用の信号端子２２を集約するための中継基板１１を配置した後、ケース１２内が樹脂封止されることにより電子モジュール４０が構成される。
図２に示すように、ヒートシンク１０の中央側にはパワー回路部２０及び界磁回路部３０の制御用の信号端子２２が数多く配置される。制御用の信号端子２２はブラケット１外部にある制御回路部１５の制御基板１５ａにつなぐ必要があるが、電子モジュール４０内部で信号端子２２の位置が散らばって配置されているため、そのままでは制御基板１５ａとの接続が困難である。そこで、図３に示すように、中継基板１１を用いることで、電子モジュール４０内部に散らばっている信号端子２２を集約でき、コネクタ１３等を用いることで制御基板１５ａと容易に接続が可能となる。
図１に戻って、ブラシホルダ８は、ヒートシンク１０の界磁回路部３０の裏面側に固定される。ヒートシンク１０の界磁回路部３０の固定部周辺はブラシホルダ８が収まるように窪んでいる。また、界磁回路部３０とブラシホルダ８はケース１２にインサートされたターミナルで接続されている。ヒートシンク１０が窪むことで界磁回路部３０の裏面側の冷却フィン１０ａが短くなってしまうが、ヒートシンク１０が円盤状でありパワー回路部２０と共用であることから、ヒートシンク１０全体への熱の拡散により冷却フィン減少分を補うことができる。
また、ヒートシンク１０にはブラシホルダ８以外にも配線部材１４が接続されている。配線部材１４を介して、固定子２と電子モジュール４０が接続される。固定子２と電子モジュール４０の配線取り付け位置が異なった場合、そのままでは取り付け不可能である。特に固定子巻線２ｂの巻線仕様によってコイルエンドの位置が変わる場合があるが、配線部材１４を用いることで両者の取り付け位置まで配線を引き回すことができ取り付け可能となる。これにより、配線位置を気にすることなく固定子２及び電子モジュール４０の設計を行うことができ、配置の自由度をあげることができる。また、ヒートシンク１０と冷却ファン６の間に配線部材１４及びブラシホルダ８を配置することで、効率的な冷却風路を構成することができる。
ここで、回転電機は、基本的な構成要素が回転運動をするため、円筒形状にすることによりその体積が最小となる。特に、自動車のエンジンルームは、車室拡大を最大限に追及するためにコンパクト化され、また安全性の観点からも、エンジンルーム内に搭載されるエンジンや回転電機は小型化が要求されてきた。そのため、パワー回路部２０に用いるモールド封止型の半導体モジュールの端子数を低減することによって、パワー回路部２０を小型化することは、重要な事項となる。また、パワー回路部２０をヒートシンク１０の限られたスペースに効率よく配置することも、製品の小型化達成のために重要な事項となる。
図４は図１の回転電機の制御回路図である。図４において、固定子巻線２ｂ（図１参照）は、２組の三相巻線２ｂ１（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と三相巻線２ｂ２（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）を備えている。バッテリ６０のＰＮ端子には、上記三相巻線２ｂ１及び２ｂ２にそれぞれ接続されて電機子電流を供給する２組のインバータ部７０ａ及び７０ｂと、界磁巻線３ｂに界磁電流を供給する界磁回路部３０が接続されている。制御回路部１５は、回転電機の動作状態に応じて界磁回路部３０、インバータ部７０ａ及び７０ｂを制御する。インバータ部７０ａ及び７０ｂは、上アームの第１半導体スイッチング素子２１ａと下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂを直列に接続した回路を１相分として３相ブリッジ接続されている。本発明では、上アームの第１半導体スイッチング素子２１ａと下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂを直列に接続した１相分の回路をパワー回路部２０と称している。制御回路部１５は、インバータ部７０ａ及び７０ｂのそれぞれの半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂをオンオフ制御する。なお、図４では半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂとしてＭＯＳＦＥＴの例を示しているが、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子でも良い。また、固定子巻線として２組の三相巻線２ｂ１及び２ｂ２を備えたものを示したが、１組や複数組の三相巻線を備えたものでも良い。
図５はこの発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す平面模式図及び断面模式図であり、図６は図５の半導体モジュールに樹脂封止されている半導体スイッチング素子の平面図を示している。
図１〜図４で説明したパワー回路部２０は図５に示す半導体モジュールに相当する。すなわち、図５に示すように、パワー回路部２０は、直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂと、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのそれぞれを搭載する第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを備え、それらがトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止されて、１つのモールド封止型の半導体モジュールを構成している。第１半導体スイッチング素子２１ａがパワー回路部２０の上アームのスイッチング素子に、第２半導体スイッチング素子２１ｂがパワー回路部２０の下アームのスイッチング素子に相当する。
図６に示すように、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂは、それぞれ当該スイッチング素子の温度を測定する温度測定素子２５としてのダイオードを備えている。また、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂは、制御信号用の信号接続用パッド２６ａと、温度測定素子２５と接続される温度測定用パッド２６ｂを備えている。
図１〜図４で説明したパワー回路部２０は図５に示す半導体モジュールに相当する。すなわち、図５に示すように、パワー回路部２０は、直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂと、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのそれぞれを搭載する第１及び第２金属フレーム２３ａ及び２３ｂを備え、それらがトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止されて、１つのモールド封止型の半導体モジュールを構成している。第１半導体スイッチング素子２１ａがパワー回路部２０の上アームのスイッチング素子に、第２半導体スイッチング素子２１ｂがパワー回路部２０の下アームのスイッチング素子に相当する。
図６に示すように、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂは、それぞれ当該スイッチング素子の温度を測定する温度測定素子２５としてのダイオードを備えている。また、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂは、制御信号用の信号接続用パッド２６ａと、温度測定素子２５と接続される温度測定用パッド２６ｂを備えている。
ここで、本実施の形態のパワー回路部２０のようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールの生産性を高めるためには、パッケージサイズの低減が有効であり、特に制御用の信号端子数の低減が必要である理由を以下に説明する。
（１）本実施の形態に掲げるようなパワー回路部２０の第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂをモジュール化する場合、パワー配線端子としてＰ側端子、Ｎ側端子及び出力端子の３本の端子と、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの制御信号用のゲート端子、そして温度測定用素子（例えばダイオード）２５の温度測定用端子（例えばダイオードのアノード端子及びカソード端子）が最低限必要となる。パワー配線端子としてのＰ側端子、Ｎ側端子、及び出力端子の３本の端子は、電流量に応じた断面積が必要のため、金属フレームの厚みと幅から決定される電流経路の断面積を確保する必要がある。それに対して、制御用の信号端子であるゲート端子及びソース電位の端子、並びに温度測定用端子は電流量は必要なく、断面積は最小でよい。
ところで、このようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールでは通常圧延した金属板をプレス加工で成形して所定の回路形状を有する金属フレームを用いるが、一般的な技術常識としては、パンチの抜き幅として、金属フレームの板厚が目安とされる。
パワー配線端子の断面積確保のためには、厚みの大きい金属フレームが必要であるが、そうすると、パンチの抜き幅制約のために、信号端子の寸法が必要以上に大きくなってしまう。例えば、厚み０．８ｍｍの金属フレームであれば、信号端子の幅が０．８ｍｍ、信号端子の間隙が０．８ｍｍ必要となる。この場合、多数の信号端子を形成すると、信号端子に必要な幅が、半導体スイッチング素子の収納に必要な幅を超えてしまう。したがって、信号端子の数を低減することが必要となる。
（１）本実施の形態に掲げるようなパワー回路部２０の第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂをモジュール化する場合、パワー配線端子としてＰ側端子、Ｎ側端子及び出力端子の３本の端子と、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの制御信号用のゲート端子、そして温度測定用素子（例えばダイオード）２５の温度測定用端子（例えばダイオードのアノード端子及びカソード端子）が最低限必要となる。パワー配線端子としてのＰ側端子、Ｎ側端子、及び出力端子の３本の端子は、電流量に応じた断面積が必要のため、金属フレームの厚みと幅から決定される電流経路の断面積を確保する必要がある。それに対して、制御用の信号端子であるゲート端子及びソース電位の端子、並びに温度測定用端子は電流量は必要なく、断面積は最小でよい。
ところで、このようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールでは通常圧延した金属板をプレス加工で成形して所定の回路形状を有する金属フレームを用いるが、一般的な技術常識としては、パンチの抜き幅として、金属フレームの板厚が目安とされる。
パワー配線端子の断面積確保のためには、厚みの大きい金属フレームが必要であるが、そうすると、パンチの抜き幅制約のために、信号端子の寸法が必要以上に大きくなってしまう。例えば、厚み０．８ｍｍの金属フレームであれば、信号端子の幅が０．８ｍｍ、信号端子の間隙が０．８ｍｍ必要となる。この場合、多数の信号端子を形成すると、信号端子に必要な幅が、半導体スイッチング素子の収納に必要な幅を超えてしまう。したがって、信号端子の数を低減することが必要となる。
（２）また、トランスファーモールド成形装置がパッケージサイズに与える影響として、モールド成形時に１００気圧にも上る樹脂圧をかけるため、モールド金型の精度を高め、プレス圧を十分与えることが必須要件となる。ここでプレス圧は、モールド成形圧力に屈してモールド金型が開くことを防止するために高くする必要があるが、樹脂封止領域の面積が大きいほど比例して必要プレス圧が大きくなるという関係がある。モールド成形開始からモールド金型を開くまでのプロセス時間としては、最低２分が必要であるため、生産性を高めるためには、プレス圧を最小限にしながら、多数の小型の樹脂封止モジュールを同時に成形することが必要である。このように、信号端子数の低減による樹脂封止モジュールの小型化が生産性を高めるために必要となる。
次に、図５に戻って、本実施の形態のパワー回路部２０のようなモールド樹脂封止タイプの半導体モジュールにおいて、信号端子数をどのように低減するかを説明する。
図５において、第１半導体スイッチング素子２１ａは第１金属フレーム２３ａ上に搭載され、第２半導体スイッチング素子２１ｂは第２金属フレーム２３ｂ上に搭載され、それぞれ電気的に接続されている。また、第１半導体スイッチング素子２１ａの上面の電極と第２金属フレーム２３ｂはワイヤー２８ａにより、第２半導体スイッチング素子２１ｂの上面の電極と第３金属フレーム２３ｃはワイヤー２８ｂにより接続されている。さらに、第１金属フレーム２３ａはＰ側端子として突出するパワー配線端子２４ａを備え、第２金属フレーム２３ｂは各相出力端子として突出するパワー配線端子２４ｂを備え、第３金属フレーム２３ｃはＮ側端子として突出するパワー配線端子２４ｃを備えている。また、第１半導体スイッチング素子２１ａの信号接続用パッド２６ａは信号端子２２ａにワイヤー２８により接続され、第１半導体スイッチング素子２１ａの温度測定用パッド２６ｂは温度測定端子２２ｂにワイヤー２８により接続されている。一方、第２半導体スイッチング素子２１ｂの信号接続用パッド２６ａは信号端子２２ａにワイヤー２８により接続されているが、第２半導体素スイッチング素子２１ｂの温度測定用パッドが接続される温度測定端子は存在しない。ここで、第１半導体スイッチング素子２１ａの温度が第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度より高くなることを動作条件としてパワー回路部２０を設置する。そして、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ並びに金属フレーム２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）は、パワー配線端子２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）及び信号端子２２（２２ａ、２２ｂ）を外部に突出させて封止樹脂２７によりモールド封止されている。
図５において、第１半導体スイッチング素子２１ａは第１金属フレーム２３ａ上に搭載され、第２半導体スイッチング素子２１ｂは第２金属フレーム２３ｂ上に搭載され、それぞれ電気的に接続されている。また、第１半導体スイッチング素子２１ａの上面の電極と第２金属フレーム２３ｂはワイヤー２８ａにより、第２半導体スイッチング素子２１ｂの上面の電極と第３金属フレーム２３ｃはワイヤー２８ｂにより接続されている。さらに、第１金属フレーム２３ａはＰ側端子として突出するパワー配線端子２４ａを備え、第２金属フレーム２３ｂは各相出力端子として突出するパワー配線端子２４ｂを備え、第３金属フレーム２３ｃはＮ側端子として突出するパワー配線端子２４ｃを備えている。また、第１半導体スイッチング素子２１ａの信号接続用パッド２６ａは信号端子２２ａにワイヤー２８により接続され、第１半導体スイッチング素子２１ａの温度測定用パッド２６ｂは温度測定端子２２ｂにワイヤー２８により接続されている。一方、第２半導体スイッチング素子２１ｂの信号接続用パッド２６ａは信号端子２２ａにワイヤー２８により接続されているが、第２半導体素スイッチング素子２１ｂの温度測定用パッドが接続される温度測定端子は存在しない。ここで、第１半導体スイッチング素子２１ａの温度が第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度より高くなることを動作条件としてパワー回路部２０を設置する。そして、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ並びに金属フレーム２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）は、パワー配線端子２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）及び信号端子２２（２２ａ、２２ｂ）を外部に突出させて封止樹脂２７によりモールド封止されている。
なお、界磁回路部３０もパワー回路部２０と同様、界磁巻線３ｂに電流を供給するための界磁用半導体スイッチング素子及びコンデンサ等の電子部品が搭載された金属フレームがトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止され１つのモールド封止型の半導体モジュールを構成している。パワー回路部２０と界磁回路部３０はヒートシンク１０の同一平面上に絶縁性接着剤１６で固着されている。本実施の形態では、パワー回路部２０は６個、界磁回路部３０は１個がヒートシンク１０に円周状に配置されている。また、金属フレームは例えば熱伝導性のよい銅または銅合金を用いている。
以上のように本実施の形態によれば、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのうち温度が高い方の第１スイッチング素子２１ａの温度測定素子２５のみに温度測定用端子２２ｂを接続するようにする。つまり、温度測定素子２５の接続を温度の高い第１半導体スイッチング素子２１ａのみにすることによりワイヤ本数や制御用の信号端子数を低減でき、パワー回路部２０を小型化することができる。例えば、図４のインバータ７０ａ及び７０ｂの上下アームのスイッチング素子で温度測定を行った場合、半導体モジュールの温度測定用端子数が増えてサイズが大きくなり、また、上下アームのスイッチング素子の各温度測定素子の特性を検査することで検査時間が増えてしまうが、本実施の形態によれば、温度の高い方の第１半導体スイッチング素子のみを測定することで、温度測定用の端子数を削減でき、パワー回路部の小型化及び低コスト化につながる。
また、図５のように、半導体モジュールに搭載する第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの数をそれぞれ１個にすることで温度測定素子２５のための外部配線等を減らすことができる。スイッチング素子の投影面積は同じだとすると、複数のスイッチング素子ではスイッチング素子間のライン＆スペースが必要となるが、それぞれ１個にすることでこれらのライン＆スペースを無くすことができ、金属フレームのサイズ低減につながる。なお、半導体モジュールに搭載する第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの数をそれぞれ複数個にしても良い。
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
図７において、温度測定素子２５により温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａを搭載している金属フレーム２３ａの素子搭載部面積を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂを搭載している金属フレーム２３ｂの素子搭載部面積より小さくしている。ただし、金属フレーム２３ａと金属フレーム２３ｂの材料及び厚さは同じとする。
すなわち、温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａの金属フレーム２３ａの熱抵抗を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂの金属フレーム２３ｂの熱抵抗より大きくして、温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａの温度を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度より常時高くして、温度の高い方の第１半導体スイッチング素子２１ａを温度測定することにより、スイッチング素子の保護を図ることができる。なお、図７の例では、金属フレームの素子搭載部面積に差を設けて金属フレームの熱抵抗を異なるようにしたが、金属フレームの材料に差を設けて熱抵抗に差を設けるようにしても良い。
図７はこの発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
図７において、温度測定素子２５により温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａを搭載している金属フレーム２３ａの素子搭載部面積を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂを搭載している金属フレーム２３ｂの素子搭載部面積より小さくしている。ただし、金属フレーム２３ａと金属フレーム２３ｂの材料及び厚さは同じとする。
すなわち、温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａの金属フレーム２３ａの熱抵抗を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂの金属フレーム２３ｂの熱抵抗より大きくして、温度測定を行う第１半導体スイッチング素子２１ａの温度を、温度測定を行わない第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度より常時高くして、温度の高い方の第１半導体スイッチング素子２１ａを温度測定することにより、スイッチング素子の保護を図ることができる。なお、図７の例では、金属フレームの素子搭載部面積に差を設けて金属フレームの熱抵抗を異なるようにしたが、金属フレームの材料に差を設けて熱抵抗に差を設けるようにしても良い。
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
本実施の形態においては、パワー回路部２０の下アームに相当する第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度のみを測定することでスイッチング素子を保護するようにする。すなわち、第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度測定用パッドを温度測定端子２２ｂにワイヤーにより接続する一方で、第１半導体素スイッチング素子２１ａの温度測定用パッドに接続する温度測定端子を無くする。
図８はこの発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
本実施の形態においては、パワー回路部２０の下アームに相当する第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度のみを測定することでスイッチング素子を保護するようにする。すなわち、第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度測定用パッドを温度測定端子２２ｂにワイヤーにより接続する一方で、第１半導体素スイッチング素子２１ａの温度測定用パッドに接続する温度測定端子を無くする。
車両用回転電機の場合、回転電機の保護や運転者の乗り心地を改善するために、過電圧保護、アイドルストップ時の車体振動抑制、始動時のモータトルク制御を行う必要があるが、この場合、図４の制御回路において、３相短絡状態となる。３相短絡の場合は、パワー回路部２０の下アームに相当する第２半導体スイッチング素子２１ｂに電流が流れる状態である。つまり、第２半導体スイッチング素子２１ｂには大電流が流れ、第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度が急激に上昇する可能性がある。そのため、３相短絡動作の場合には、下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度を測定しておく必要がある。また、下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂの方が上アームの第１半導体スイッチング素子２１ａに比べて平均電流が多く流れることから、下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度が上アームの第１半導体スイッチング素子２１ａの温度よりも平均的に高くなる。そのため、下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂの温度測定素子２５の温度測定用パッド２６ｂと温度測定用端子２２ｂを接続する必要がある。
以上のように本実施の形態によれば、３相短絡状態では下アームの半導体スイッチング素子２１ｂに大電流が流れるため、温度の高い下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂのみの温度を測定することで、確実に半導体スイッチング素子の保護を行うことができる。
本実施の形態の場合、図９に示すように、温度測定を行う下アームの第２半導体スイッチング素子２１ｂを搭載している金属フレーム２３ｂの素子搭載部面積を、温度測定を行わない第１半導体スイッチング素子２１ａを搭載している金属フレーム２３ａの素子搭載部面積より小さくし、温度測定を行う第２半導体スイッチング素子２１ｂ搭載の金属フレーム２３ｂの熱抵抗を、温度測定を行わない第１半導体スイッチング素子２１ａ搭載の金属フレーム２３ａの熱抵抗より大きくする。これにより、下アームの半導体スイッチング素子２１ｂの温度が確実に高くなるので、下アームの半導体スイッチング素子２１ｂのみの温度を測定することで、確実に半導体スイッチング素子の保護を行うことができる。
実施の形態４．
図１０及び図１１はこの発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
上記実施の形態では、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂとして同じタイプの半導体スイッチング素子を使用していた。すなわち、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ共に、温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを備えていた。
本実施の形態では、例えば図１０に示すように、温度測定する第２半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有する半導体スイッチング素子２１ｂを使用し、温度測定しない第１半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有しない同じ素子サイズの半導体スイッチング素子２１ａ’を使用するようにする。
このようにすれば、第１半導体スイッチング素子２１ａ’において温度測定素子（ダイオード）の形成される部分にもトランジスタを形成することができるため、同じ素子サイズではスイッチング素子のオン抵抗を低減することができる等の性能を向上することができ、第１半導体スイッチング素子２１ａ’の発熱を低減することができ、温度低減効果がある。
図１０及び図１１はこの発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。
上記実施の形態では、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂとして同じタイプの半導体スイッチング素子を使用していた。すなわち、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ共に、温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを備えていた。
本実施の形態では、例えば図１０に示すように、温度測定する第２半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有する半導体スイッチング素子２１ｂを使用し、温度測定しない第１半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有しない同じ素子サイズの半導体スイッチング素子２１ａ’を使用するようにする。
このようにすれば、第１半導体スイッチング素子２１ａ’において温度測定素子（ダイオード）の形成される部分にもトランジスタを形成することができるため、同じ素子サイズではスイッチング素子のオン抵抗を低減することができる等の性能を向上することができ、第１半導体スイッチング素子２１ａ’の発熱を低減することができ、温度低減効果がある。
また、図１１に示すように、温度測定する第２半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有する半導体スイッチング素子２１ｂを使用し、温度測定しない第１半導体スイッチング素子は温度測定素子（ダイオード）２５及び温度測定用パッド２６ｂを有しない小型の素子サイズの半導体スイッチング素子２１ａ”を使用するようにする。
このようにすれば、第１半導体スイッチング素子２１ａ”の発熱量が減ることからそれを搭載する金属フレーム２３ａを小さくでき、モジュールサイズの低減につながる。
このようにすれば、第１半導体スイッチング素子２１ａ”の発熱量が減ることからそれを搭載する金属フレーム２３ａを小さくでき、モジュールサイズの低減につながる。
実施の形態５．
本実施の形態においては、図６に示すように、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの外周部に温度測定素子（ダイオード）２５が配置されている構成とした。
本実施の形態においては、図６に示すように、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの外周部に温度測定素子（ダイオード）２５が配置されている構成とした。
温度測定素子（ダイオード）２５を第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの外周部に配置することで、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの通電経路となる上面の電極面積を広く使うことができる。これにより第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂのオン抵抗を低減でき、発熱を低減できる。
また、第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂ内の最大温度になる部分と温度測定素子（ダイオード）２５で測定している部分における温度の相関関係を調べておけば、温度測定素子（ダイオード）２５の搭載位置は第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの最大温度の位置になくても最大スイッチング素子温度を算出することができ、スイッチング素子の保護を行うことができる。
以上のように本実施の形態によれば、温度測定素子（ダイオード）２５の搭載位置を第１及び第２半導体スイッチング素子２１ａ及び２１ｂの外周側に配置することにより、さらに半導体スイッチング素子の発熱を低減することができる。
１００ 回転電機、２ 固定子、２ａ 固定子鉄心、２ｂ 固定子巻線、
２ｂ１及び２ｂ２ 三相巻線、３ 回転子、３ａ 回転子鉄心、３ｂ 界磁巻線、
５ スリップリング、６ 冷却ファン、７ ブラシ、８ ブラシホルダ、
１０ ヒートシンク、１０ａ 冷却フィン、１１ 中継基板、１２ ケース、
１３ コネクタ、１４ 配線部材、１５ 制御回路部、２０ パワー回路部、
２１ａ及び２１ｂ 第１及び第２半導体スイッチング素子、２２ 信号端子、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 第１、第２、第３金属フレーム、２４ パワー配線端子、
２５ 温度測定素子、２６ａ 信号接続用パッド、２６ｂ 温度測定用パッド、
２７ 封止樹脂、２８ ワイヤー、３０ 界磁回路部、４０ 電子モジュール、
５０ 回転軸、６０ バッテリ、７０ａ及び７０ｂ インバータ部。
２ｂ１及び２ｂ２ 三相巻線、３ 回転子、３ａ 回転子鉄心、３ｂ 界磁巻線、
５ スリップリング、６ 冷却ファン、７ ブラシ、８ ブラシホルダ、
１０ ヒートシンク、１０ａ 冷却フィン、１１ 中継基板、１２ ケース、
１３ コネクタ、１４ 配線部材、１５ 制御回路部、２０ パワー回路部、
２１ａ及び２１ｂ 第１及び第２半導体スイッチング素子、２２ 信号端子、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 第１、第２、第３金属フレーム、２４ パワー配線端子、
２５ 温度測定素子、２６ａ 信号接続用パッド、２６ｂ 温度測定用パッド、
２７ 封止樹脂、２８ ワイヤー、３０ 界磁回路部、４０ 電子モジュール、
５０ 回転軸、６０ バッテリ、７０ａ及び７０ｂ インバータ部。
Claims (9)
- 直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子と、上記第１及び第２半導体スイッチング素子をそれぞれ搭載した第１及び第２金属フレームを備え、上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち少なくとも一方の半導体スイッチング素子に温度測定素子を形成し、上記第１及び第２半導体スイッチング素子並びに上記第１及び第２金属フレームを包み込むように樹脂封止成形した半導体モジュールであって、
上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続した半導体モジュール。 - 上記直列に接続された第１及び第２半導体スイッチング素子を、パワー回路部の上下アームのスイッチング素子として使用し、上記パワー回路部の下アームに相当する上記半導体スイッチング素子の上記温度測定素子のみに温度測定端子を接続した請求項１に記載の半導体モジュール。
- 上記温度測定素子に上記温度測定端子を接続した上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗を、上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち他方の半導体スイッチング素子を搭載する金属フレームの熱抵抗より高くした請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
- 上記第１及び第２半導体スイッチング素子のうち温度測定端子に接続されない半導体スイッチング素子には温度測定素子を形成しない請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
- 上記温度測定素子を上記第１及び第２半導体スイッチング素子の外周側に配置した請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
- 上記第１及び第２半導体スイッチング素子をそれぞれ１個のスイッチング素子で構成した請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
- ブラケットと、上記ブラケットに設置され固定子巻線を有する固定子と、上記ブラケットに回転自在に支持された回転軸に設置された回転子と、上記固定子巻線に流れる電流を制御するための上下アームのスイッチング素子を有するパワー回路部を備え、
上記パワー回路部として、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体モジュールを備え、
上記パワー回路部の上下アームのスイッチング素子として、上記半導体モジュールの上記第１及び第２半導体スイッチング素子を使用した回転電機。 - 上記回転電機内に円盤状のヒートシンクを備え、上記ヒートシンク上に円周状に上記パワー回路を配置した請求項７に記載の回転電機。
- 上記回転子は界磁巻線を有し、上記界磁巻線に流れる電流を制御するための界磁回路部を備え、上記界磁回路部はモールド封止型モジュールであって、上記モールド封止型モジュールは上記円盤状のヒートシンク上に配置されている請求項８に記載の回転電機。
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