JP2019216137A - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、負荷700および電源装置500の構成の例を概略的に示すブロック図である。負荷700は、電源装置500から供給される三相交流電力によって動作する機器である。電源装置500は、三相交流の第1〜第3の相のそれぞれを生成するために、インバータ装置300U〜300Wを有している。インバータ装置300U〜300Wのそれぞれは、三相交流の第1〜第3の相の電圧出力端子である出力端子U〜Wを有している。なお、負荷が用いる交流電力は三相に限定されるわけではなく、電源装置が有するインバータ装置の数は、相の数に対応して適宜決定されてよい。
図2は、本実施の形態1におけるインバータ装置401(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す回路図である。図3は、図2における下アーム素子120(第2の半導体スイッチング素子)の構成を概略的に示す回路図である。図4は、図2における第1の比較回路200が有する比較部31の構成を概略的に示す回路図である。図5は、図2における第2の比較回路201が有する比較部32の構成を概略的に示す回路図である。
本実施の形態によれば、第1に、外部検出端子CIN1を用いることによって、負端子NUの電流の大きさ、すなわち、負荷に印加される電流の大きさ、に対応する信号を、IPM301中へ伝達することができる。よって、IPM301が過電流を生成したときの保護動作を、外部検出端子CIN1への信号に基づいて、かつ過電流からの負荷の保護に適した電流しきい値が付与された第1の比較回路200を用いて行うことによって、負荷を保護することができる。この保護動作のために外部検出端子CIN1が受け付ける電圧信号は、負端子NUに電流検出用の外部抵抗素子51を接続することによって発生させることができる。外部抵抗素子51の抵抗値を調整することによって、保護動作がどの程度の大きさの過電流によって開始されるかという電流しきい値を調整することができる。外部抵抗素子51はパッケージ90の外部に配置され得るので、この調整は容易に行い得る。すなわち、負荷を保護する動作がどの程度の大きさの過電流によって開始されるかを、負荷の特性に合わせて容易に調整することができる。
図6は、本実施の形態2におけるインバータ装置402(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す回路図である。インバータ装置402はIPM302(電力用半導体装置)を有している。IPM302はLVIC152を有している。LVIC152は第2の比較回路202を有している。第2の比較回路202は、前述した実施の形態1において説明した第2のしきい値(過電流からのIPMの保護の観点での電流しきい値)を補正する補正回路62を有している。補正回路62は比較器30に接続されており、比較器30へ参照電圧を供給する。補正回路62により、第2のしきい値の誤差を、IPM302の製造後に補正することができる。よって、IPMをより適切に保護することができる。第2のしきい値の誤差は、例えば、内部抵抗素子52の抵抗値、比較器30の参照電圧Vref2(図5)、または下アーム素子120の分流比のばらつきに起因する。
図9は、本実施の形態3におけるインバータ装置403(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す回路図である。インバータ装置403はIPM303(電力用半導体装置)を有している。IPM303はLVIC153を有している。LVIC153は第2の比較回路203を有している。第2の比較回路203は、実施の形態1において説明した第2のしきい値(過電流からのIPMの保護の観点での電流しきい値)を補正する補正回路63を有している。補正回路63は、比較部32の出力端子と内部検出端子CIN2との間に接続されている。
図12は、本実施の形態4におけるインバータ装置404(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す回路図である。インバータ装置404はIPM304(電力用半導体装置)を有している。IPM304はLVIC154を有している。LVIC154はNMOS52T(nチャネル電界効果トランジスタ)を有している。NMOS52Tは、内部検出端子CIN2に電気的に接続されたドレインを有している。NMOS52Tは、互いに短絡されたドレインおよびゲートを有している。言い換えれば、NMOS52Tはダイオード接続を有している。IPM304は第2の比較回路204を有している。第2の比較回路204は、NMOS52Tの電流と比較される可変電流を発生する回路を含む。
本実施の形態によれば、センス端子T4の電流を検出するための検出素子として、LVIC154が、半導体素子であるnチャネル電界効果トランジスタを有している。これによりIPM304の製造において、内部抵抗素子52(図2:実施の形態1)を実装する必要がなくなる。よって、電力用半導体装置の組み立てプロセスを簡素化することができる。また、上記検出素子が抵抗素子ではなく半導体素子であることから、検出素子を有するLVIC154を、通常の半導体プロセスを用いて容易に形成することができる。
上記実施の形態1〜4における上アーム素子110および下アーム素子120の半導体材料は、特に限定はされないが、一般的には珪素である。特に、IGBTの半導体材料としては珪素を用いられることが多い。これに対して本実施の形態5においては、半導体材料として少なくとも部分的にワイドバンドギャップ半導体が用いられる場合について説明する。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、珪素のバンドギャップに比して広いバンドギャップを有する半導体であり、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。
本実施の形態6においては、上記実施の形態1における部品のレイアウトについて説明する。図17は、本実施の形態6におけるIPM306A(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す上面図である。図中、パッケージ90に取り付けられパッケージ90の外部から接続可能な端子が示されている。図18は、パッケージ90(図17)の内部の構成を概略的に示す上面図である。図18において、配線パターンが設けられた基板上に複数の部品が実装されている。
Claims (10)
- パッケージと、
前記パッケージに取り付けられ、前記パッケージの外部から接続可能な第1の固定電位端子と、
前記パッケージに取り付けられ、前記パッケージの外部から接続可能な電圧出力端子と、
前記パッケージに収められ、前記第1の固定電位端子と前記電圧出力端子との間に接続された第1の半導体スイッチング素子と、
前記パッケージに収められ、前記第1の半導体スイッチング素子を駆動する第1の駆動回路と、
前記パッケージに取り付けられ、前記パッケージの外部から接続可能な第2の固定電位端子と、
前記パッケージに収められ、前記電圧出力端子に接続された第1の素子端子と、前記第2の固定電位端子に接続された第2の素子端子と、前記第1の素子端子と前記第2の素子端子との間の電流経路をオン状態およびオフ状態のいずれかへと制御する駆動信号を受け付ける素子制御端子と、前記電流経路を流れる電流に比例しかつ前記電流経路を流れる電流よりも小さい電流が流れるセンス端子とを有する第2の半導体スイッチング素子と、
前記パッケージに取り付けられ、前記パッケージの外部から接続可能な外部制御端子と、
前記第2の固定電位端子の電流の大きさに比例した電圧信号を受け付けるための外部検出端子と、
前記パッケージに収められた第2の駆動回路と、
を備え、前記第2の駆動回路は、
前記外部検出端子からの電圧信号が表す前記第2の固定電位端子の電流の大きさが許容範囲内および許容範囲外のいずれであるかを判定する第1の比較回路と、
前記センス端子の電流の大きさを検出するために前記第2の半導体スイッチング素子の前記センス端子に前記パッケージ内で電気的に接続された内部検出端子と、
前記内部検出端子を用いて検出される前記センス端子の電流の大きさが許容範囲内および許容範囲外のいずれであるかを判定する第2の比較回路と、
前記第2の半導体スイッチング素子をオン状態とするオン信号および前記第2の半導体スイッチング素子をオフ状態とするオフ信号のいずれかを前記外部制御端子からの信号に対応して前記駆動信号として選択的に発生し、前記第1の比較回路および前記第2の比較回路の少なくともいずれかによって電流の大きさが許容範囲外にあると判定されているときは前記駆動信号としてオン信号を発生することが禁止される駆動信号発生部と、
を含む、
電力用半導体装置。 - 前記パッケージの外部に配置され、前記第2の固定電位端子および前記外部検出端子の各々に電気的に接続された一方端と、固定された電位を有する他方端とを有する外部抵抗素子をさらに備える、請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 前記第1の比較回路は、前記外部検出端子からの電圧信号が表す前記第2の固定電位端子の電流の大きさが許容範囲内および許容範囲外のいずれであるかを、第1のしきい値を基準として判定し、前記第2の比較回路は、前記内部検出端子を用いて検出される前記センス端子の電流の大きさから換算される前記第2の固定電位端子の電流の大きさが許容範囲内および許容範囲外のいずれであるかを、第2のしきい値を基準として判定し、前記第1のしきい値は前記第2のしきい値よりも小さい、請求項1または2に記載の電力用半導体装置。
- 前記センス端子および前記内部検出端子に前記パッケージ内で電気的に接続された一方端を有する内部抵抗素子をさらに備える、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記第2の比較回路は、前記第2のしきい値を補正する補正回路を有している、請求項4に記載の電力用半導体装置。
- 前記補正回路は、複数の抵抗素子のうち少なくとも1つを選択的に使用することによって、前記第2のしきい値を表す可変電圧を発生する、請求項5に記載の電力用半導体装置。
- 前記補正回路は、前記内部抵抗素子に接続された複数の電流源のうち少なくとも1つを選択的に使用することによって、前記内部抵抗素子を流れる電流の大きさを調整する、請求項5に記載の電力用半導体装置。
- 前記第2の駆動回路は、前記内部検出端子に電気的に接続されかつ互いに短絡されたドレインおよびゲートを有するnチャネル電界効果トランジスタを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記第2の比較回路は、前記nチャネル電界効果トランジスタの電流と比較される可変電流を発生する回路を含む、請求項8に記載の電力用半導体装置。
- 前記第1の半導体スイッチング素子および前記第2の半導体スイッチング素子の少なくともいずれかは、ワイドバンドギャップ半導体からなる部分を有する、請求項1から9のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
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