JP3292614B2 - パワーモジュール素子 - Google Patents

パワーモジュール素子

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JP3292614B2 JP514695A JP514695A JP3292614B2 JP 3292614 B2 JP3292614 B2 JP 3292614B2 JP 514695 A JP514695 A JP 514695A JP 514695 A JP514695 A JP 514695A JP 3292614 B2 JP3292614 B2 JP 3292614B2
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千尋 岡土
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パワースイッチング素
子と溶断部材を同一絶縁容器内に収納したパワーモジュ
ール素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電力変換装置に使用されるパワー
スイッチング素子として、図１０および図１１に示すよ
うに構成されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ）がある。これは、パワーコレクタ端子（入力主
電流端子）１とパワーエミッタ端子（出力主電流端子）
２を備え、かつ駆動用信号端子としてのゲート３および
エミッタ２Ａを備えている。
【０００３】図１２はこのような構成のＩＧＢＴを使用
した直流ー直流コンバータの例として直流モータを駆動
するＨ型ブリッジ回路を示している。すなわち、パワー
スイッチング素子４〜７がＨ型ブリッジ回路に構成さ
れ、この中間点に直流モータ８が接続されている。一
方、Ｈ型ブリッジ回路の上位および下位には直流電源９
を接続することによって直流電力を直流モータ８に供給
できる。
【０００４】図１２の動作としては、素子４，７を公知
のＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うことにより、直流
モータ８に所定極性の電圧が供給され、直流モータ８は
正回転する。直流モータ８を逆回転させるには、素子
５，６をＰＷＭ制御することにより、直流モータ８が逆
回転する。
【０００５】図１２の素子４，５のパワーコレクタ端子
１には、それぞれ速断ヒューズ１０，１１を接続し、同
一アームの上下の素子４，６または５，７が同時に導通
する誤動作により生ずる過電流により速断ヒューズ１
０，１１が溶断するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図１２の従
来のコンバータでは相単位で考察すると、素子４と７が
導通状態（飽和状態）の時に、ノイズ等の外来サージに
より素子の導通制御部が誤動作し、素子５または６に駆
動信号が送られると、同一アームの上下素子が導通状態
となり、直流電源９の出力が短絡状態となり、過電流が
流れる。
【０００７】この場合直流電源９とコンバータを接続す
る主回路ケーブルは、素子４〜７で決まるコンバータ容
量に相応した導体で構成されるのに対し、素子４〜７の
内部インピーダンスが大きいことから素子４〜７に過電
流が流れた場合には素子４〜７の内部が局部的発熱を来
し、場合によっては素子４〜７自体が爆発、発煙を起こ
すおそれがある。
【０００８】また、速断ヒューズ１０，１１の溶断によ
り素子の爆発、発煙を未然に防ぐことができるが、市販
の標準の速断ヒューズ１０，１１を用いて全ての素子４
〜７の容量に応じて保護協調をとることは難しく、かつ
高価となる欠点を有する。
【０００９】一方、図１２の回路を電気自動車に応用す
る場合には、素子４〜７のうち例えば素子４のみがパン
クしたとき、素子４に直列に接続されている同一アーム
の素子６が共に断線状態となるため、直流モータ８を運
転することができず、電気自動車を例えば安全地帯まで
移動することができない。
【００１０】さらに、速断ヒューズ１０，１１が素子４
〜７の外部に設置されることから、速断ヒューズ１０，
１１相互間に発生するリングアークの発生を防止するた
め、所定の隔離距離を確保しなければならないので、図
１２の直流モータ８および直流電源９を除く回路全体を
小形化する上で支障がある。
【００１１】本発明は、パワースイッチング素子に過電
流が流れても、発煙、爆発を防ぐことができ、また不良
のパワースイッチング素子の早期発見が可能となるパワ
ーモジュール素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、絶縁容器内に少なくと
も１個のパワースイッチング素子チップと、この各チッ
プの電極に電気的に接続する入力および出力主電流端子
を収納し、かつこの入力および出力主電流端子の一部が
前記絶縁容器外部に露出するように構成したパワーモジ
ュール素子において、前記絶縁容器内であって前記入力
および出力主電流端子のいずれか一方、または前記各チ
ップの電極と前記入力および出力主電流端子のいずれか
一方の接続点間に前記入力および出力主電流端子に流れ
る主電流の値に対応した溶断特性を決定可能なヒューズ
を備えたことを特徴とするパワーモジュール素子であ
る。
【００１３】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、前記ヒューズの収納されている部分と前記
チップの収納されている部分を仕切り体で仕切ったこと
を特徴とする請求項１記載のパワーモジュール素子であ
る。
【００１４】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、前記ヒューズの収納されている部分と前記
チップの収納されている部分を仕切り体で仕切り、前記
ヒューズの収納されている部分にヒューズの溶断によっ
て生ずるアークを消弧する消弧材を充填したことを特徴
とする請求項１記載のパワーモジュール素子である。
【００１５】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、前記ヒューズは板ヒューズであり、この板
ヒューズの少なくとも一部に、溶断特性を決定するため
の切り込みを有していることを特徴とする請求項１記載
のパワーモジュール素子である。
【００１６】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、絶縁容器内に少なくとも１個のパワースイ
ッチング素子チップと、この各チップの電極に電気的に
接続する入力および出力主電流端子を収納し、かつこの
入力および出力主電流端子の一部が外部に露出するよう
に構成したパワーモジュール素子において、前記絶縁容
器内であって前記チップの電極と前記入力および出力主
電流端子を電気的に接続し、少なくとも一部に溶断部を
有する複数のボンディングワイヤと、前記絶縁容器内で
あって前記ボンディングワイヤを部分的に支持し該ボン
ディングワイヤの放熱を目的とする少なくとも１個の中
継パッドとを備え、前記ボンディングワイヤの本数、太
さ、長さの少なくともいずれか一方ならびに前記中継パ
ッドの個数、前記中継パッドの表面積の少なくとも一方
を調整することにより前記ボンディングワイヤの溶断部
の溶断特性を決定するようにしたことを特徴とするパワ
ーモジュール素子である。
【００１７】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、前記ヒューズは主電流の溶断特性により決
まり、このヒューズに並列に該ヒューズが溶断したこと
前記絶縁容器外部で検出できるように構成した溶断検出
手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のパワーモ
ジュール素子である。
【００１８】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、複数のチップを備え、各チップ毎に仕切り
体により分離隔離したことを特徴とする請求項１または
請求項５記載のパワーモジュール素子である。
【００１９】
【作用】請求項１〜請求項７に対応する発明によれば、
絶縁容器内にパワースイッチング素子のチップに対応し
た溶断特性を設定可能なヒューズ又はボンディングワイ
ヤが配設されているので、パワースイッチング素子のチ
ップに過電流が流れてもヒューズ又はボンディングワイ
ヤが溶断することから、発煙、爆発を防ぐことができ、
かつ全体を小形化することが可能になる。
【００２０】また、請求項６に対応する発明によれば、
内部に収納されているヒューズの溶断を検出する溶断検
出手段を備えているので、不良パワースイッチング素子
を早期に発見できる。
【００２１】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 ＜第１実施例＞図１〜図４に示すように、パワーモジュ
ール素子は容器本体１２とカバー１８からなる絶縁容器
内に後述するパワーモジュール素子本体を収納したもの
である。
【００２２】パワーモジュール素子本体は、熱伝導性の
良い金属例えば銅からなる金属ベース１２ａと、金属ベ
ース１２ａの一方の面の周縁部に配設された絶縁枠１２
ｂとからなる容器本体１２内に、絶縁材１３、パワース
イッチング素子のチップ１４，１５、主電流端子（パワ
ー端子）１６，１７、ゲル１９、板ヒューズ２０〜２
２、２３〜２５、ボンディングワイヤ２６，２７、消弧
剤２８からなっている。
【００２３】容器本体１２の開口部に仕切り板付カバー
１８を設けて絶縁容器内部を密封したものである。この
場合の仕切り板付カバー１８と、絶縁枠１２ｂはモール
ド絶縁材料でモールドしてできたものである。
【００２４】以下、これについて具体的に説明する。す
なわち、金属ベース１２ａの上面に絶縁材１３を配設
し、絶縁材１３の上面にパワースイッチング素子のチッ
プ１４，１５例えばＩＧＢＴのチップを互いに間隔を存
して配設する。また、金属ベース１２ａの上面であって
チップ１４，１５の一端側に断面Ｌ字状の主電流端子１
６を配設し、かつチップ１４，１５の他端側に断面Ｌ字
状の主電流端子１７を配設する。そして、チップ１４，
１５の極と主電流端子１６の間には、各々一部に切り込
みｃｔを有し、主電流の値によって溶断特性が決まる速
断ヒューズすなわち板ヒューズ２０〜２２、２３〜２５
をそれぞれ互いに等間隔を存して電気的に接続する。主
電流端子１７とチップ１４，１５の間はボンディングワ
イヤ２７により電気的に接続する。ボンディングワイヤ
２６，２７は、全体が例えばアルミニウム線からなって
いる。
【００２５】そして、仕切り板１８ａとカバー１８ｂを
一体にした仕切り板付カバー１８を、素子容器１２内に
仕切り板１８ａの挿入させて開口部にカバー１８ｂを固
定することによって、チップ１４，１５の部屋と板ヒュ
ーズ２０〜２５の部屋に仕切る。この場合、チップ１
４，１５の収納されている部屋にはそれぞれゲル１９を
充填してあり、これによりボンディングワイヤ２６，２
７に振動が加わった場合の振動を抑制する。また、板ヒ
ューズ２０〜２５の部屋には消弧剤２８を充填してあ
り、これにより板ヒューズ２０〜２５が溶断した際に生
ずるアークを消弧する。
【００２６】このように板ヒューズ２０〜２２、２３〜
２５が素子容器１２とカバー１８内に、パワースイッチ
ング素子のチップ１４，１５にそれぞれ対応して配設さ
れているので、主電流端子１６，１７間に過電流が所定
時間流れたとき板ヒューズ２０〜２２、２３〜２５のい
ずれかが溶断することから、パワーモジュール素子自体
の発煙、爆発を防止でき、また板ヒューズ２０〜２２、
２３〜２５をを含んだ全体の構成を従来に比べて小形化
することができる。
【００２７】また、板ヒューズ２０〜２２、２３〜２５
は、それぞれ切り込みｃｔが形成されているので、チッ
プ１４，１５の容量に応じて、切り込み量を大きくする
ことにより、主電流の値が小さくても溶断し、また逆に
切り込み量を小さくすることで、主電流の値が大きくて
も溶断する。さらに、板ヒューズの切り込み量を一定と
し、本数を変えることで溶断特性を変えることができ
る。この結果、全てのパワースイッチング素子のチップ
１４，１５の電流容量にそれぞれ対応した保護協調をと
ることが容易で、比較的に安価に行える。
【００２８】そして、以上述べた実施例のパワーモジュ
ール素子を複数個組合わせて電気自動車に使用した場合
には、パワースイッチング素子の一部がパンクしてもそ
の部分の板ヒューズが溶断することから、そのパンクし
たパワースイッチング素子のみを除いたパワースイッチ
ング素子により安全地帯まで移動運転を行うことが可能
となる。
【００２９】＜第２実施例＞ 図５は、前述の第１実施例で用いた板ヒューズ２０〜２
５の代わりに、ボンディングワイヤ２６，２７と同様
に、部分的に溶断部を有するボンディングワイヤ３２〜
３７を設け、ボンディングワイヤ３２〜３７をそれぞれ
中継パッド２９〜３１を経由してパワースイッチング素
子のチップ１５の極に接続したものである。
【００３０】ここで、用いる中継パッド２９〜３１とし
ては、定常的には放熱作用がある熱伝導性の良好な金属
材料からなるブロックを用いる。また過渡的にはボンデ
イグワイヤ３２〜３７の溶断部が高温になると溶断する
ことから、速断ヒューズの切り込みと同じ作用する。
【００３１】この場合、ボンデイグワイヤ３２〜３７の
中間部分が中継パッド２９〜３１に熱的に接続されてい
るので、ボンデイグワイヤ３２〜３７の放熱効果が良好
であり、この分電流容量をあげることができるばかりで
なく、ボンデイグワイヤ３２〜３７の溶断部の溶断特性
は、ボンデイグワイヤの本数、太さ、長さの少なくとも
一つを変えることにより決めることが可能であり、第１
実施例と同様な作用効果が得られる。
【００３２】＜第３実施例＞図６は、図５の実施例で設
けた中継パッド２９〜３１以外に、中継パッド３８〜４
０を追加し、これらを中継パッド２９〜３１に対してそ
れぞれ直列に設けたものである。
【００３３】この場合もボンデイグワイヤ３２〜３７は
中継パッド２９〜３１および３８〜４０にそれぞれ熱的
に接続されているので、この実施例は第２実施例よりも
ボンデイグワイヤ３２〜３７の放熱効果が上がるので、
さらに電流容量を上げることができ、第１実施例と同様
な作用効果が得られる。
【００３４】＜第４実施例＞図７は、図５の実施例で設
けた中継パッド２９〜３１を、一個の中継パッド４１に
代えたものであり、この実施例も第２実施例と同様にボ
ンデイグワイヤ３２〜３７、５１，５２の中間部分は中
継パッド４１に熱的に接続されている。このため、第２
実施例と同様な作用効果が得られる。
【００３５】＜第５実施例＞図８は、図１の実施例の主
電流端子１６とパワースイッチング素子のチップ１４の
間、図１の実施例の主電流端子１６とパワースイッチン
グ素子のチップ１５の間にそれぞれ電圧検出手段例えば
フォトカプラ４２と抵抗４３からなる回路およびフォト
カプラ４４と抵抗４５からなる回路を電気的に並列に接
続したものである。
【００３６】フォトカプラ４２は、フォトダイオード４
２ａとフォトトランジスタ４２ｂからなり、この一次側
すなわちチップ１４側にフォトダイオード４２ａを接続
し、その二次側は図示しない断線報知器に接続したもの
である。
【００３７】同様に、フォトカプラ４４は、フォトダイ
オード４４ａとフォトトランジスタ４４ｂからなり、こ
の一次側すなわちチップ１５側にフォトダイオード４４
ａを接続し、その二次側は図示しない断線報知器に接続
したものである。
【００３８】このように構成することにより、例えばチ
ップ１４側に接続されている板ヒューズ２０〜２２に過
電流が流れて板ヒューズ２０〜２２が溶断すると、主電
流端子１６とチップ１４の電極間に電圧が発生し、フォ
トカプラ４２の一次側のフォトダイオード４２ａに電流
が流れて発光し、これにより二次側のフォトトランジス
タ４２ｂがオン状態となることから、図示しない断線報
知器が動作し、板ヒューズ２０〜２２の溶断状態を報知
することができ、これにより不良のパワースイッチング
素子の早期発見に役立つ。また、フォトカプラ４２の二
次側の出力をパワースイッチング素子の制御装置等に入
力させことにより、電力変換装置の保護動作に役だてる
ことが可能になる。
【００３９】以上述べた作用効果は、チップ１５側に接
続されている板ヒューズ２３〜２５に過電流が流れて板
ヒューズ２３〜２５が溶断してフォトカプラ４４が動作
した場合も同様である。
【００４０】＜第６実施例＞図９に示すように、同一絶
縁容器内に配設される主電流端子１６，１７の間に、パ
ワースイッチング素子のチップ１４，１５を多数個並設
し、チップ１４，１５の極と主電流端子１７の間を複数
のボンデイグワイヤ５５により電気的に接続し、チップ
１４，１５の極と主電流端子１６の間を、それぞれ溶断
部を有するボンデイグワイヤ３２，３４，３６，５１，
５４により電気的に接続し、このボンデイグワイヤ３
２，３４，３６，５１，５４を仕切り板１８ｃにより各
パワースイッチング素子毎に分離したものである。この
場合、ボンデイグワイヤ３２，３４，３６，５１，５４
の中間部は、前述の第２〜第５の実施例と同様に中継パ
ッドに熱的に接続されることは言うまでもない。このよ
うに構成することにより、劣化したパワースイッチング
素子のみを切り離して運転することができる。
【００４１】＜変形例＞なお、本発明は、前述した実施
例に限定されず、種々変形して実施できる。前述の実施
例では、容器本体１２と仕切り板付カバー１８からなる
絶縁容器内に、パワースイッチング素子のチップを２個
収納した例を説明したが、これに限らず１または３個で
あってもよい。もちろん、この場合も、各チップ毎に、
溶断部材、例えばヒューズ、溶断部を有するボンデイグ
ワイヤおよび中継パッドのいずれかを設けることは言う
までもない。
【００４２】また、前述の実施例では絶縁容器をモール
ド成形によって得る場合について説明したが、これに限
らずいかなる製法であってもよい。さらに、図９に示す
第６実施例は、主電流端子１６とチップ１４，１５の極
との間をボンデイグワイヤ３２，３４，３６，５１，５
４で接続した場合であるが、第１実施例のように溶断部
材として板ヒューズを用いた場合でも同様に実施でき
る。
【００４３】また、図３の実施例のヒューズの収納部分
に充填した消弧剤２８は、小容量のものは必ずしも必要
でなく、チップ１４，１５の収納部分に充填したゲル１
９も必ずしも必要なものではない。
【００４４】
【発明の効果】以上述べた本発明によれば、パワースイ
ッチング素子に過電流が流れても、発煙、爆発を防ぐこ
とができ、また不良のパワースイッチング素子の早期発
見ができるパワーモジュール素子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワーモジュール素子の第１実施
例の内部構造を説明するための構成図。
【図２】図１の板ヒューズの一つを拡大して示す図。
【図３】図１のパワーモジュール素子の縦断面図。
【図４】図１のパワーモジュール素子の回路図。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明によるパワーモジュー
ル素子の第２実施例の内部構造を説明するための構成図
および断面図。
【図６】（ａ），（ｂ）は本発明によるパワーモジュー
ル素子の第３実施例の内部構造を説明するための構成図
および断面図。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明によるパワーモジュー
ル素子の第４実施例の内部構造を説明するための構成図
および断面図。
【図８】本発明によるパワーモジュール素子の第５実施
例の内部構造を説明するための構成図。
【図９】本発明によるパワーモジュール素子の第６実施
例の内部構造を説明するための構成図。
【図１０】従来のパワースイッチング素子の一例である
ＩＧＢＴを示す平面図。
【図１１】図１０の一例であるＩＧＢＴの回路図。
【図１２】図１０および図１１のＩＧＢＴを使用した電
力変換装置の回路図。
【符号の説明】
１２ａ…金属ベース、１２ｂ…絶縁枠、１３…絶縁材、
１４，１５…パワースイッチング素子のチップ、１６，
１７…主電流端子（パワー端子）、１８…仕切り板付カ
バー、１９…ゲル、２０〜２５…板ヒューズ、２６，２
７…ボンデイグワイヤ、２８…消弧剤、２９〜３１…中
継パッド、３２〜３７…ボンデイグワイヤ、３８〜４１
…中継パッド、４２，４４…フォトカプラ。
フロントページの続き (72)発明者 野村 芳士 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 審査官 守安 太郎 (56)参考文献 特開 平３−214657（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−174941（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−38649（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−41135（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 25/00 H01L 29/78 H01L 21/60

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁容器内に少なくとも１個のパワース
    イッチング素子チップと、この各チップの電極に電気的
    に接続する入力および出力主電流端子を収納し、かつこ
    の入力および出力主電流端子の一部が前記絶縁容器外部
    に露出するように構成したパワーモジュール素子におい
    て、 前記絶縁容器内であって前記入力および出力主電流端子
    のいずれか一方、または前記各チップの電極と前記入力
    および出力主電流端子のいずれか一方の接続点間に前記
    入力および出力主電流端子に流れる主電流の値に対応し
    た溶断特性を決定可能なヒューズを備えたことを特徴と
    するパワーモジュール素子。
  2. 【請求項２】 前記ヒューズの収納されている部分と前
    記チップの収納されている部分を仕切り体で仕切ったこ
    とを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール素子。
  3. 【請求項３】 前記ヒューズの収納されている部分と前
    記チップの収納されている部分を仕切り体で仕切り、前
    記ヒューズの収納されている部分にヒューズの溶断によ
    って生ずるアークを消弧する消弧材を充填したことを特
    徴とする請求項１記載のパワーモジュール素子。
  4. 【請求項４】 前記ヒューズは板ヒューズであり、この
    板ヒューズの少なくとも一部に、溶断特性を決定するた
    めの切り込みを有していることを特徴とする請求項１記
    載のパワーモジュール素子。
  5. 【請求項５】 絶縁容器内に少なくとも１個のパワース
    イッチング素子チップと、この各チップの電極に電気的
    に接続する入力および出力主電流端子を収納し、かつこ
    の入力および出力主電流端子の一部が外部に露出するよ
    うに構成したパワーモジュール素子において、 前記絶縁容器内であって前記チップの電極と前記入力お
    よび出力主電流端子を電気的に接続し、少なくとも一部
    に溶断部を有する複数のボンディングワイヤと、 前記絶縁容器内であって前記ボンディングワイヤを部分
    的に支持し該ボンディングワイヤの放熱を目的とする少
    なくとも１個の中継パッドと、 を備え、前記ボンディングワイヤの本数、太さ、長さの
    少なくともいずれか一方ならびに前記中継パッドの個
    数、前記中継パッドの表面積の少なくとも一方を調整す
    ることにより前記ボンディングワイヤの溶断部の溶断特
    性を決定するようにしたことを特徴とするパワーモジュ
    ール素子。
  6. 【請求項６】 前記ヒューズは主電流の溶断特性により
    決まり、このヒューズに並列に該ヒューズが溶断したこ
    と前記絶縁容器外部で検出できるように構成した溶断検
    出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のパワー
    モジュール素子。
  7. 【請求項７】 複数のチップを備え、各チップ毎に仕切
    り体により分離隔離したことを特徴とする請求項１また
    は請求項５記載のパワーモジュール素子。
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