KR100371116B1 - 파워 반도체 모듈 - Google Patents

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KR100371116B1
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무토히로타카
기쿠나가도시유키
오히다케시
기노우치신-이치
호리구치다케시
우스이오사무
오쿠다다츠야
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 주전류의 검출을 고주파 영역까지 정밀하게 하는 전류 검출 감지부를 구비하는 것을 목적으로 하고 있으며, 상기 목적을 달성하기 위한 구성으로는 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 전류 감지부(28)를 이용하고, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)이 서로 대향하고 있으므로, 전류 감지부(28)의 인덕턴스가 작게 되어, 검출 단자(34),(35)로부터의 출력은 주파수 의존성이 대폭 감소한다.

Description

파워 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은 인버터나 컨버터 등의 전력 변환 기기에 이용되는 파워 반도체 모듈에 관한 것이다.
파워 반도체 모듈에는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)소자를 복수개 탑재한 MOSFET 모듈, 다이오드 소자를 복수개 탑재한 다이오드 모듈, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자와 다이오드 소자 각각을 복수개 탑재한 IGBT 모듈 등이 있다. 여기서는 반도체 소자인 IGBT 소자와 다이오드 소자가 복수개 병렬로 접속된 IGBT 모듈을 예로서 파워 반도체 모듈의 내부 구조를 설명한다.
도 10은 종래기술의 IGBT 모듈(이하, 모듈이라 칭함)의 반도체 소자부를 중심으로 한 평면도, 도 11은 IGBT 모듈 내부의 한 쌍의 IGBT 소자와 다이오드 소자의 부분을 중심으로 한 단면도이다. 본 모듈은 IGBT 소자가 4개, 다이오드 소자가 4개 병렬로 접속되어 하나의 모듈을 구성하고 있다. 인접하는 IGBT 소자와 다이오드 소자가 역병렬, 즉, IGBT 소자의 에미터와 다이오드 소자의 애노드가 동(同)전위로 또한, IGBT 소자의 콜렉터와 다이오드의 캐소드가 동전위로 되도록 접속되어 있다.
도 10 및 도 11에 있어서, 참조부호 1은 동(銅)으로 되어, 반도체 소자를 냉각하기 위한 방열판, 참조부호 2는 절연 기판인 질화 알루미늄 기판, 참조부호 21은 질화 알루미늄 기판(2)의 양면에 부착된 전극 패턴, 참조부호 3은 IGBT 소자, 참조 부호 4는 다이오드 소자이고, 전극 패턴(21) 상에는 IGBT 소자(3)와 다이오드 소자(4)가 이웃하여 납땜되어 있다. 또한, 질화 알루미늄 기판(2)은 방열판(1) 상에 납땜에 의해 접합되어 있다.
IGBT 소자(3)의 표면에 패터닝되어 있는 에미터 전극(31)과 다이오드 소자(4)의 표면에 패터닝되어 있는 애노드 전극(41)은 알루미늄 배선(51)에 의해접속되고, 또한 에머터 중단(中斷) 기판(7)에 접속되어 있다. IGBT 소자(3)와 다이오드 소자(4)가 납땜되어 있는 질화 알루미늄 기판(2) 상의 전극 패턴(21)과, 컬렉터 중단 기판(8)이 알루미늄 배선(52)에 의해 접속되어 있다. 참조부호 25는 수지재로 된 통체이고, 방열판(1)에 고정되어 있다. 컬렉터 중단 기판(8) 상의 전극 패턴에는 모듈 컬렉터 전극(9)이 접속되고, 에머터 중단 기판(7)에는 모듈 에미터 전극(10)이 접속되어 있다. 모듈 에미터 전극(10)과 모듈 컬렉터 전극(9)은 모듈의 통체(25) 외부에 있어서, 부하 등에 배선, 접속된다.
또한, IGBT 소자(3)를 온 오프하는 게이트 전위를 제어하기 위해, 알루미늄 배선(53)이 배선 기판(11)으로부터 IGBT 소자(3)의 게이트 단자(32)에 접속되어 있다. 참조부호 19는 모듈 게이트 전극이고, 모듈 내부에 있어서, 배선 기판(11)을 거쳐 각 IGBT 소자(3)의 게이트 단자(32)에 접속되어 있다. 참조부호 33은 IGBT 소자(3) 중 하나의 위에 형성된 전류 감지 단자이고, IGBT 소자(3)의 에미터 전극(31)을 흐르는 전류에 비례한 미소한 전류가 흐른다.
이와 같은 IGBT 소자를 이용한 모듈에 있어서, 동작 중에 정격 전류를 초과하는 과전류가 흐르거나, 부하 측에서의 단락 사고에 의해 모듈에 과대한 전류가 흐르는 일이 있다. 모듈에 정격을 초과하는 과대한 전류가 흐르면 IGBT 소자가 열적(熱的)으로 파괴되어 모듈을 교환할 필요가 생긴다. 과전류에 의한 모듈의 파괴를 방지하기 위해서는, IGBT 소자에 흐르는 전류를 검출하고, 과대한 전류가 흐르기 바로 전에 IGBT 소자를 오프로 할 필요가 있다. 이와 같은 과전류나 부하측 단락 시에 생길 가능성이 있는 IGBT 소자의 파괴를 방지하기 위해 보호 회로가 설치된다.
도 12는 그와 같은 보호 회로의 블록도이다. 참조부호 12는 모듈, 참조부호 13은 모듈(12) 내에 배치된 전류 감지 단자(33)를 구비한 IGBT 소자이고, 전류 감지 단자(33)를 이용하여 모듈 에미터 전극(10)에 흐르는 주전류를 검출한다. 모듈(12) 내에 설치되어 있는 4개의 IGBT 소자(3)의 내, 1개의 IGBT 소자(13)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 감지 단자(33)의 전류가, 과전류·단락 전류 보호 회로(16)에 입력되고, 게이트 전압 제어 회로(17)에 의해 IGBT 소자(3)가 오프로 되는 게이트 전압이 출력되어, 모듈(12) 전체가 보호된다.
IGBT 소자(3)의 내부는 복수의 미세한 IGBT 셀(도시하지 않음)이 다수개 병렬로 접속된 구조로 되어 있다. 에미터 전극(31)과 전류 감지 단자(33)에는 IGBT 소자(3) 내부에 있어서 각각에 복수의 미세한 IGBT 셀이 접속되어 있다. 에미터 전극(31)과 전류 감지 단자(33)에 접속되어 있는 IGBT 셀 개수의 비를 1000 대 1 정도로 하고, IGBT 셀의 각 군을 서로 분리하는 것에 의해, 전류 감지 단자(33)를 흐르는 전류로부터 에미터 전극(31)에 흐르는 전류를 측정하도록 되어 있다.
또한 종래 기술의 다른 예로서, 주전류 경로의 어딘가의 위치에 저항체(도시하지 않음)를 삽입하고 그 저항체에서의 전압강하로부터 주전류의 전류값을 측정하는 방법이 있었다.
전류 감지 단자를 흐르는 전류와 에미터 전극을 흐르는 전류는 반드시 각각의 단자에 접속되어 있는 IGBT 셀 개수의 비로는 되지 않는 일이 있었다. 그 이유는 IGBT 소자는 동작 중에 발열하고, 소자면 내에 있어서 온도 분포를 가지지만, 전류 감지 잔자에 접속되어 있는 IGBT 셀은 소자면의 특정 위치에 존재하므로, 전류 감지 단자에 접속되어 있는 IGBT 셀부의 온도와 에미터 전극에 접속되어 있는 IGBT 셀부의 온도가 다르기 때문이다. 따라서, 전류 감지 단자의 전류값이 실제로 모듈 에미터 전극에 흐르고 있는 전류를 정확히 반영하지 않는 일이 있었다.
또한, 소자의 제조 상의 오차에 의해 전류 감지 단자를 흐르는 전류에 오차가 생긴다는 문제가 있었다.
또한, 주전류가 흐르는 경로에 저항체를 삽입하는 방법은 저항체에 의한 전압강하를 검출하므로 검출값이 어긋나는 것과 같은 일은 적다. 그러나, 종래 기술에 의한 평판형상 저항체는 삽입한 저항체의 인덕턴스가 크게 되고, 주파수 특성이 나쁘게 된다는 문제가 있었다. IGBT 모듈과 같은 파워 반도체 모듈은 예컨대, IGBT 소자 1개당 100A정도의 큰 전류를 측정하는 것으로 된다. 저항 삽입에 의한 전력 손실을 저하하기 위해, 저항체의 저항값으로는 밀리옴 정도의 낮은 값이 필요하게 된다. 이와 같은 저항값을 가진 평판 저항은, 100kHZ 내지 1MHz의 고주파에 있어서는, 저항보다도 인덕턴스에 의한 임피던스가 지배적으로 되고, 검출 특성이 주파수 의존성을 가진다는 문제가 있었다.
본 발명이 목적으로 하는 것은 주전류를 고주파 영역까지, 정밀도 좋게 검출할 수 있는 전류 감지부를 구비한 파워 반도체 모듈을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1을 나타내는 파워 반도체 모듈의 사시도,
도 2(a)는 종래의 전류 감지부를 설명하기 위한 사시도, 도 2(b)는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 파워 반도체 모듈의 전류 감지부를 설명하기 위한 사시도,
도 3(a)는 종래의 전류 감지부의 주파수 특성도, 도 3(b)는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 파워 반도체 모듈의 전류 감지부의 주파수 특성도,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 나타내는 파워 반도체 모듈의 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 나타내는 파워 반도체 모듈의 평면도,
도 6은 도 5의 VI-VI선에 따른 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 파워 반도체 모듈의 IGBT 소자의 부분을 나타내는 평면도,
도 8은 도 7의 VIII-VIII선에 따른 단면도,
도 9는 본 발명의 실시예 5에 나타내는 파워 반도체 모듈의 사시도,
도 10은 종래의 파워 반도체 모듈의 평면도,
도 11은 종래의 파워 반도체 모듈의 부분 단면도,
도 12는 종래의 파워 반도체 모듈의 보호 회로를 나타내는 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3 IGBT 소자,
4 다이오드 소자,
26 에미터 중단 소자,
27 모듈 에미터 전극,
28 전류 감지부,
28a 제 1 평판 형상 부분,
28b 꺾임부,
28c 제 2 평판 형상 부분,
62 제 2 절연막,
75 제 1 전류 감지부,
76 제 2 전류 감지부,
91 절연막.
청구항 1에 관한 파워 반도체 모듈은 주전류가 흐르는 전류 경로 중에, 평행평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 반도체로 구성되어 내부의 전위차로부터 주전류를 검출하는 전류 감지부를 설치한 것이다.
청구항 2에 관한 파워 반도체 모듈은 전류 감지부를 모듈 전극과 일체로 한 것이다.
청구항 3에 관한 파워 반도체 모듈은 전류 감지부를 절연 기판 상에 설치한 것이다.
청구항 4에 관한 파워 반도체 모듈은 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도전체 사이에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한쪽의 평판 형상 부분을 절연 기판에 밀착하여 설치한 것이다.
청구항 5에 관한 파워 반도체 모듈은 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도전체 사이에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한쪽의 평판 형상 부분을 반도체 소자 상에 설치한 것이다.
청구항 6에 관한 파워 반도체 모듈은 임피던스가 동등한 2개의 전류 감지부를 설치하여 각 전류 감지부 내부의 전위차의 차분으로부터 주전류를 검출하도록 한 것이다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1을 나타내는 파워 반도체 모듈의 사시도이다. 도1의 파워 반도체 모듈은 실제로는 도 8, 도 9에 나타낸 것과 마찬가지로 방열판(1)에 부착되어 통체(25)로 덮여져 있지만, 여기서는 그들의 도시를 생략하고, 내부의 IGBT 소자와 전류 감지부를 중심으로 나타내고 있다.
도 1에 있어서, 참조부호 2는 절연 기판인 질화 알루미늄 기판, 참조부호 21은 질화 알루미늄 기판(2) 상에 형성된 전극 패턴, 참조부호 3, 4는 전극 패턴(21) 상에 납땜된 반도체 소자인 IGBT 소자와 다이오드 소자, 참조부호 26은 절연 기판인 에미터 중단(中斷) 기판, 참조부호 29는 에미터 중단 기판(26) 상에 형성된 전극 패턴, 참조부호 27은 외부와 접속하여 주전류를 흘리기 위한 모듈 전극인 모듈 에미터 전극이고, 도시를 일부 생략하고 있다. 참조부호 28은 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 도전체(여기서는 동(銅))로 된 전류 감지부이고, 평행 평판을 이루는 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c) 및 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)의 한쪽 단부를 서로 연결하는 꺾임부(28b)로 구성되어 있다. 그리고 제 1 평판 형상 부분(28a)의 다른 한쪽의 단부가 전극 패턴(29)에 납땜에 의해 접속되어 한쪽의 검출 단자(34)로 됨과 아울러, 제 2 평판 형상 부분(28c)의 다른 한쪽의 단부는 모듈 에미터 전극(27)과 일체로 되어 연결되고, 다른 한쪽의 검출 단자(35)로 되어 있다.
에미터 중단 기판(26) 상의 전극 패턴(29)은 알루미늄 배선(51)에 의해 다이오드 소자(4)의 애노드 전극(41) 및 IGBT 소자(3)의 에미터 전극(31)과 접속되어 있다.
참조부호 16은 과전류·단락 전류 보호 회로이다.
다음에, 동작에 대하여 설명한다. 파워 반도체 모듈(이하, 모듈이라 칭함)을 흐르는 주전류는 IGBT 소자(3)의 에미터 전극(31)을 거쳐 다음에 알루미늄 배선(51)을 통해, 에미터 중단 기판(26) 상의 전극 패턴(29)으로부터 전류 감지부(28)를 통과하여 모듈 에미터 전극(27)으로 흐른다. 전류 감지부(28) 내부의 전위차, 즉 양 검출 단자(34),(35) 간의 주전류에 의한 전압 강하가 검출되고, 과전류·단락 전류 보호 회로(16)에 입력된다. 전류 감지부(28)에 있어서는 전류 경로가 평행 평판 형상에 대향하여 있으므로, 양 검출 단자(34),(35) 간의 인덕턴스가 작고, 검출 전압은 검출 단자(34),(35) 간의 저항으로 결정된다. 따라서, 검출 단자(34),(35) 간에는 주파수 특성이 평탄하고, 주전류에 비례한 출력이 얻어지고, 모듈의 보호를 소정의 전류값으로 정확하게 할 수 있다. 이것에 대하여 이하에서 더욱 설명한다.
도 2는 저항 삽입에 의한 전류 검출 방법에서 이용하는 전류 감지부에 대하여 설명하기 위한 사시도이고, (a)는 종래부터 전류 검출용으로서 사용되고 있는 평판 형상 저항체, (b)는 본 발명에서 저항체로서 이용하는 평행 평판 형상의 꺾어 접은 형상의 전류 감지부를 나타낸다. A, B 및 C, D는 단자이고, 굵은 화살표는 전류의 흐름을 나타낸다. 저항체의 임피던스는 등가적으로 저항 성분과 임피던스 성분의 직렬 접속으로 된다. 이 회로에 전류가 흘렀을 때의 단자간 전압 V은
V=(R+jωL)I
이다. R은 단자간의 저항, j는 허수 단위, ω는 각주파수, L은 단자간의 인덕턴스, I는 전류이다.
도 2(a)에서 판의 두께를 t, 폭을 w, 길이를 Le로 한다. 이와 같은 구조체의 저항은
R=R0×Le/(t×w)
로 된다. 여기서 R0은 판재의 저항율이다. 지금, t를 0.1mm, Le를 10mm, w를 10mm로 한다. 또한, 판재를 동으로 하면 저항율 R0는 약 1.5×10-6Ω·㎝이다. 따라서, A, B 간의 저항은 0.3×10-3Ω으로 된다.
또한, A, B 간의 인덕턴스 LAB는 근사적으로 다음 식으로 표현된다.
LAB=u(log(2Le/(w+t)+0.5))/2π
여기서, u는 진공 투자율(透磁率:permeability)이다.
따라서, A, B 간의 임피던스 ZAB는
ZAB=0.3×10-3+j2×3.14×f×2.4×10-7Ω
으로 된다. 상기 식에 있어서, f는 주파수이다.
한편, 도 2(b)에 나타낸 꺾어 접은 구조의 평행 평판의 인덕턴스 LCD는 근사적으로 다음 식으로 표현된다.
LCD=u×d×Le/w
여기서, d는 꺾어 접은 평판 간의 간격이다. 또한 LCD의 계산에 있어서는 간략화하기 위해 판의 두께를 무시하였다. d를 0.1㎜로 하면, 인덕턴스 LCD는 1.3×10-10H로 된다. 따라서, C, D 간의 임피던스 ZCD는
ZCD=0.6×10-3+j2×3.14×f×1.3×10-10Ω
으로 된다. 또, 간략화를 위해, 고주파 전류에 의한 표피 효과는 무시하였다.
이상 2종류의 각각의 경우의 임피던스의 절대값의 주파수 특성의 계산 결과를 도 3에 나타내었다. 도 2(a)에 나타낸 종래 일반적으로 이용되어 왔던 평판 형상 저항체는 도 3(a)에 나타내듯이 300Hz부터 주파수에 의존한다. 한편, 도 2(b)에 나타내는 것과 같은 본 발명의 구조, 즉 평행 평판 형상 구조로서 꺾어 접는 것에 의해, 도 3(b)에 나타내듯이 600kHz의 고주파 영역까지 주파수에 의존하지 않는 평탄한 특성으로 된다. 이와 같이 꺾어 접은 평행 평판 형상 구조로 하는 것으로 인덕턴스는 저항 성분과 비교하여 작게 되고, 검출 단자간 전압의 주파수 의존성이 크게 개선된다.
이상과 같이 주전류의 경로를 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상으로 하는 것에 의해, 주파수 특성이 평탄하여 검출 정밀도가 양호한 전류 센서를 얻을 수 있다.
또한, 본 전류 센서는 주전류에 의한 도체에서의 전압 강하를 검출하고 있으므로, 전류 감지 단자를 이용한 종래 기술과 같이 실제로 IGBT 소자의 에미터를 흐르고 있는 전류와 검출값이 다른 것은 아니다.
(실시예 2)
도 4는 본 발명의 실시예 2를 나타내는 모듈의 사시도이다. 도면에 있어서, 참조부호 44, 45는 에미터 중단 기판(26) 상에 형성된 제 1, 제 2 전극 패턴이고, 서로 조금 이격하여 배치되어 있다. 참조부호 38은 전류 감지부(28)의 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c) 간에 설치된 절연체이다. 제 1 평판 형상 부분(28a)의 일단이 제 1 전극 패턴(44)에, 그리고 제 2 평판 형상 부분(28c)의 일단이 제 2 전극 패턴(45)에 각각 납땜되어 있다. 또한, 모듈 에미터 전극(27)이 제 2 전극 패턴(45)에 납땜되어 있다. 제 1 전극 패턴(44)은 알루미늄 배선(51)에 의해 다이오드 소자(4)의 애노드 전극(41) 및 IGBT 소자(3)의 에미터 전극(31)과 접속되어 있다. 그 외는 실시예 1의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
IGBT 소자(3)를 흐르는 주전류는 에미터 중단 기판(26) 상의 제 1 전극 패턴(44)으로부터 전류 감지부(28)를 통과하여, 제 2 전극 패턴(45)으로 흘러, 모듈 에미터 전극(27)에 흘러 들어간다. 전류 감지부(28) 양단의 검출 단자(34),(35) 간의 주전류에 의한 전압 강하가 검출되고, 과전류·단락 전류 보호 회로(16)에 입력된다.
본 실시예에서도 실시예 1과 마찬가지로, 전류 감지부(28)에 있어서 주전류가 흐르는 전류 경로가 평행 평판 형상에 대향하고 있으므로, 검출 단자(34),(35) 간의 인덕턴스가 작고, 검출 전압은 검출 단자(34),(35) 간의 저항으로 결정한다. 따라서, 주파수 특성이 평탄한 주전류에 비례한 출력이 얻어진다.
또한, 이 실시예에서는 전류 감지부(28)를 모듈 에미터 전극(27)과는 별개의구조체로서 에미터 중단 기판(26) 상에 배치한 것에 의해, 전류 감지부(28)의 배치에 관하여 자유도가 증가하고, 다른 구조의 모듈에 범용적으로 이 전류 감지부(28)를 적용할 수 있다.
(실시예 3)
도 5는 본 발명의 실시예 3을 나타내는 모듈의 평면도, 도 6은 도 5의 VI-VI선에 따른 모듈의 단면도이다. 본 실시예에 있어서는 에미터 중단 기판(26) 상에, 박막 형성 프로세스에서 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 전류 감지부(28)가 형성되어 있다. 즉, 참조부호 61은 에미터 중단 기판(26) 상의 전극 패턴(29) 상에 형성된 제 1 절연막이고, 그 위에 전류 감지부(28)의 제 1 평판 형상 부분(28a)이 금속막으로 형성되고, 제 1 평판 형상 부분(28a)의 일단이 전극 패턴(29)에 연결되어 있다. 참조부호 62는 제 1 평판 형상 부분(28a) 상에 형성된 제 2 절연막이고, 그 위에 제 2 평판 형상 부분(28c)이 금속막으로 형성되어 있다. 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)은 서로 대향하여 배치되고, 꺾임부(28b)에 의해 연결되어 있다. 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)의 측면에 서로 대향하는 위치에 검출 단자(34),(35)가 설치되어 있다. 모듈 에미터 전극(27)이 에미터 중단 기판(26) 상에 설치되고, 제 2 평판 형상 부분(28c)에 연결되어 있다. 이들의 에미터 중단 기판(26), 전극 패턴(29), 제 1 절연막(61), 제 1 평판 형상 부분(28a), 제 2 절연막(62) 및 제 2 평판 형상 부분(28c)은 차례로 밀착하여 적층되어 있다. 상기에 있어서, 금속박으로는 알루미늄을, 또한 절연막으로는 실리콘 산화막 등을이용하고 있다. 그 외에 대하여는 실시예 1의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
본 실시예에서는 평행 평판 형상의 전류 감지부(28)를 에미터 중단 기판(26) 상에 밀착하도록 형성하였다. 통상, 에미터 중단 기판(26)의 이면에는 도 8, 도 9와 같이 방열판(1)이 설치되어 있으므로 냉각 효율이 높게 된다. 따라서, 전류 감지부(28) 자신의 발열에 의한 파괴없이, 큰 주전류가 흐르는 전류 영역에 있어서도 측정이 가능하게 된다.
또한, 평행 평판 형상 구조의 임덕턴스는 전술한 바와 같이, 2개의 평판의 서로 대향하고 있는 면 사이의 거리에 비례한다. 즉, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c) 간의 거리를 결정하는 제 2 절연막(62)의 두께가 얇은 만큼 전류 감지부(28)의 인덕턴스는 작게 된다.
본 실시예와 같이 에미터 중단 기판(26) 상에 평행하게 밀착하는 것과 같은 구조로 한 것에 의해 증착 등의 박막 형성 기술에 의해 절연막 및 금속막을 형성하고, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c) 사이의 거리를 매우 작게 할 수 있다. 현재의 증착 등의 박막 형성 기술을 이용하면, 마이크로미터 레벨이 매우 얇은 절연막, 금속막을 만들 수 있다. 따라서, 전류 감지부의 인덕턴스를 절감할 수 있고, 보다 높은 주파수까지 사용 가능한 전류 감지부를 얻을 수 있다.
(실시예 4)
도 7은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 모듈의 IGBT 소자의 부분을 나타내는평면도, 도 8은 도 7의 VIII-VIII선에 따른 단면도이다. 이 실시예는 IGBT 소자(3)의 표면에, 실시예 3의 경우와 마찬가지의, 박막 형성 프로세스에서 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 전류 감지부(28)가 형성되어 있다.
도 7, 도 8에 있어서, 참조부호 91는 전류 감지부(28)의 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c) 사이에 설치된 절연막이고, 제 1 평판 형상 부분(28a)이 IGBT 소자(3) 상에 밀착하여 형성되고, 그 위에 절연막(91)과 제 2 평판 형상 부분(28c)이 차례로 밀착하여 적층되고, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)은 서로 대향하도록 형성되어 있다. 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)은 꺾임부(28b)에 의해 서로 연결되고, 또한 제 1 평판 형상 부분(28a)은 IGBT 소자(3)의 에미터 전극(31)과 일체로 연결되어 있다.
참조부호 92는 검출 단자(34),(35)로부터 도시 외의 과전류·단락 전류 보호 회로에 접속되는 알루미늄 배선이다. 그 외에 대하여는 실시예 3의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
본 실시예에서는 실시예 3과 마찬가지로 전류 감지부(28)의 제 1, 제 2 평판 형상 부분(28a),(28c)이, 절연막(91)을 끼워 밀착하도록 형성했으므로, 실시예 3에서 설명했듯이, 전류 감지부(28)의 인덕턴스를 작게 하는 것이 가능하고, 보다 높은 주파수까지 사용할 수 있다.
더욱이, 본 실시예에서는 전류 감지부(28)를 IGBT 소자(3) 상에 설치했으므로, 모듈 내부에 전류 감지부(28)를 위한 새로운 설치면적이 필요없어, 모듈을 소형화할 수 있다.
또, 상기에서는 전류 감지부(28)을 IGBT 소자(3) 상에 설치했지만, 모듈 내부의 다이오드 소자(도 1 중에 참조부호 4로 나타냄) 상에 배치하여도 되고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, MOSFET 모듈의 경우는 MOSFET 상에 소스 전극과 연결하여 전류 감지부를 설치하여도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 5)
도 9는 본 발명의 실시예 5를 나타내는 모듈의 사시도이다. 본 실시예에서는 주전류가 흐르는 경로 중에 전류 감지부를 2개 삽입하여 양자의 검출 출력의 차분으로부터 주전류의 값을 측정한다.
도면에 있어서, 참조부호 73은 에미터 중단 기판(26) 상에 형성된 제 3 전극 패턴이고, 제1, 제 2 전극 패턴(44),(45)의 사이에 이들과 조금 이격하여 배치되어 있다. 참조부호 75는 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상의 제 1 전류 감지부이고, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(75a),(75c) 및 제 1, 제 2 평판 형상 부분(75a),(75c)을 서로 연결한 꺾음부(75b)로 되어 있다. 참조부호 76은 마찬가지의 제 2 전류 감지부이고, 제 1, 제 2 평판 형상 부분(76a),(76c) 및 제 1, 제 2 평판 형상 부분(76a),(76c)을 서로 연결하는 꺾음부(76b)로 되어 있다. 제 1 전류 감지부(75)의 제 1, 제 2 평판 형상 부분(75a),(75c)의 일단이 각각 제 1, 제 3 전극 패턴(44),(73)에 납땜됨과 아울러, 제 2 전류 감지부(76)의 제 1, 제 2 평판 형상 부분(76a),(76c)의 일단이 각각 제 3, 제 2 전극 패턴(73),(45)에 납땜되어 있다.
여기서 제 1, 제 2 전류 감지부(75),(76)는 서로 인덕턴스가 동일하고, 저항이 다르도록 한다. 구체적으로는 양 전류 감지부(75),(76)의 형상은 동일하고, 재료를 다르게 한다. 예컨대, 제 1 전류 감지부(75)의 구성 재료로서 동을 이용하고, 제 2 전류 감지부(76)에는 알루미늄을 이용한다.
그리고 제 1 전류 감지부(75)의 양 단부의 검출 단자(81),(82)로부터 전위차 V1을 출력함과 아울러, 제 2 전류 감지부(76)의 양 단부의 검출 단자(83),(84)로부터 전위차 V2를 출력하도록 되어 있다.
참조부호 78은 제 1, 제 2 전류 감지부(75),(76)의 검출단자(81~84)로부터 전위차 V1, V2가 입력되어 그 차분을 과전류·단락 전류 보호 회로(16)에 출력하는 차동 증폭 회로이다. 그 외는 실시예 2의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
IGBT 소자(3)를 흐르는 주전류는 알루미늄 배선(51), 제 1, 제 2 전류 감지부(75),(76) 및 모듈 에미터 전극(27)의 경로를 흐른다. 제 1 전류 감지부(75)로부터 출력된 전위차 V1과, 제 2 전류 감지부(76)로부터 출력된 전위차 V2가 차동 증폭 회로(78)에 입력되고, 그들 2개의 전위차의 차분이 과전류·단락 전류 보호 회로(16)에 입력된다.
제 1 전류 감지부(75)의 인덕턴스를 L1, 저항을 R1으로 하고, 제 2 전류 감지부(76)의 인덕턴스를 L2, 저항을 R2로 한다. 주전류 i가 2개의 전류 감지부를 흐를 때의 제 1, 제 2 전류 감지부(75),(76)의 출력 전압 V1, V2는
V1=R1·i+L1·di/dt
V2=R2·i+L2·di/dt
양자의 차분 ΔV는
ΔV=V1-V2=(R1-R2)i+(L1-L2)di/dt
로 된다. 제 1, 제 2 전류 감지부(75),(76)의 형상은 동일하므로 2개의 전류 감지부(75),(76)의 인덕턴스는 동일 값으로 된다. 따라서, ΔV=(R1-R2)i로 되고, 출력전압 V1, V2 간의 차분은 2개의 전류 센서부(75),(76)의 인덕턴스와는 관계없게 되어, 저항차만으로 결정된다. 차동 증폭 후의 출력전압은 주파수 의존성을 가지지 않고, 보다 높은 주파수까지 정확한 주전류의 측정이 가능하게 된다.
또, 이상의 실시예 1로부터 실시예 5에서, 전류 감지부를 구성하는 도전성 재료에 관하여, 온도에 의한 저항의 변화를 고려하는 경우는 모듈의 동작 온도인 -40℃ 내지 125℃의 온도 범위에서 저항의 온도 의존성이 낮은 재료의 쪽이 바람직하다. 이 경우, 동-니켈 합금, 동-망간-니켈 합금, 동-니켈-아연 합금 등의 재료를 이용하면 좋다.
청구항 1에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 주전류 경로 중에, 평행 평판 형상으로 꺾어 접은 형상을 가지고, 그 내부의 전위차로부터 주전류를 검출하는 전류 감지부를 설치했으므로, 전류 감지부의 인덕턴스가 대폭 감소되고, 따라서 고주파 영역까지 정밀도 양호하게 주전류를 검출할 수 있는 효과가 있다.
청구항 2에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 전류 감지부를 모듈 전극과 일체로 했으므로 구조가 단순하게 된다.
청구항 3에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 전류 감지부를 절연 기판 상에 설치했으므로, 전류 감지부의 배치에 대한 자유도가 커지게 되고, 각종 구조의 모듈에 범용적으로 적용할 수 있다.
청구항 4에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도전체 사이에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한편의 평판 형상 부분을 절연 기판에 밀착시켰으므로, 전류 감지부에서 생기는 열이 절연 기판을 거쳐 분산되어, 방산(放散)되어 방열효과가 크게 된다. 또한 평행 평판 형상 도전체 간의 절연막을 얇게 하는 것이 가능하고, 그렇게 하는 것에 의해, 전류 감지부의 인덕턴스를 감소시킬 수 있고, 보다 높은 주파수까지 정밀도 양호한 주전류의 측정이 가능하게 된다.
청구항 5에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도체 간에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한편의 평판 형상 부분을 반도체 소자에 설치했으므로, 절연막을 얇게 하여 전류 감지부의 인덕턴스를 작게 하는 것이 가능하고, 또한 설치를 위한 새로운 면적이 불필요하고, 모듈을 소형화할 수 있다.
청구항 6에 관한 파워 반도체 모듈에 의하면, 인덕턴스가 동등한 2개의 전류 감지부를 설치했으므로, 2개의 전류 센서부를 조합시키는 것에 의해, 인덕턴스의 영향을 경감 혹은 없앨 수 있고, 보다 높은 주파수까지 정밀도 양호한 주전류의 측정이 가능하게 된다.

Claims (6)

  1. 복수의 반도체 소자 및 모듈 전극이 절연 기판 상에 부착되고, 이들 반도체 소자와 모듈 전극이 접속되어 이루어진 파워 반도체 모듈에 있어서,
    주전류가 흐르는 전류 경로 중에, 꺾어 접은 평행 평판 형상의 도전체로 구성되어, 내부의 전위차로부터 상기 주전류를 검출하는 전류 감지부를 설치한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감지부를 모듈 전극과 일체로 한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감지부를 절연 기판 상에 설치한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도전체 간에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한쪽의 평판 형상 부분을 절연 기판 상에 밀착하여 설치한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감지부의 평행 평판 형상의 도전체 간에 밀착하여 절연막을 설치함과 아울러, 한쪽의 평판 형상 부분을 반도체 소자 상에 설치한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인덕턴스가 동일한 2개의 전류 감지부를 설치하여, 각 전류 감지부 내부의 전위차의 차분(差分)으로부터 주전류를 검출하도록 한 것을 특징으로 하는 파워 반도체 모듈.
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