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WO2016039342A1 - 半導体モジュール - Google Patents

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WO2016039342A1
WO2016039342A1 PCT/JP2015/075477 JP2015075477W WO2016039342A1 WO 2016039342 A1 WO2016039342 A1 WO 2016039342A1 JP 2015075477 W JP2015075477 W JP 2015075477W WO 2016039342 A1 WO2016039342 A1 WO 2016039342A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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circuit
control
temperature
igbts
detection
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/075477
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
啓 皆川
Original Assignee
富士電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士電機株式会社 filed Critical 富士電機株式会社
Priority to DE112015000606.0T priority Critical patent/DE112015000606T5/de
Priority to CN201580011304.0A priority patent/CN106063109B/zh
Priority to JP2016547453A priority patent/JP6260710B2/ja
Publication of WO2016039342A1 publication Critical patent/WO2016039342A1/ja
Priority to US15/255,127 priority patent/US10020297B2/en

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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D89/00—Aspects of integrated devices not covered by groups H10D84/00 - H10D88/00
    • H10D89/60—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]
    • H10D89/601—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs
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    • H02M7/539—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module, and more particularly to a semiconductor module in which a switching element for power conversion, a diode, and a control IC (Integrated Circuit) are incorporated in one package.
  • a switching element for power conversion a diode
  • a control IC Integrated Circuit
  • an IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • IPM Intelligent Power Module
  • a protective diode freewheeling diode
  • a control IC including peripheral circuits such as a drive circuit and various protective circuits
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the internal configuration of a conventional IPM.
  • the IPM 100 shown in FIG. 11 constitutes an inverter that outputs a three-phase AC voltage. Therefore, the IPM 100 has a positive power supply terminal P, a negative power supply terminal N, and output terminals U, V, and W, and incorporates six IGBTs 101 to 106.
  • the IGBTs 101 to 106 are connected in antiparallel by protective diodes 111 to 116 mounted on the same circuit pattern.
  • IGBTs 101 and 102, IGBTs 103 and 104, and IGBTs 105 and 106 are connected in series so as to form three sets of arm portions. Further, intermediate connection portions of the U, V, and W phase arm portions are connected to output terminals U, V, and W, respectively.
  • a temperature detection diode having a PN junction is formed at the center of each surface (emitter terminal) via an insulating layer.
  • the IGBTs 101 to 106 can observe a chip temperature close to the junction temperature by monitoring the temperature-dependent forward voltage of the temperature detection diode.
  • the IGBTs 101 to 106 have their gate terminals and temperature detection diodes connected to the control ICs 121 to 126.
  • the control ICs 121 to 126 control the switching of the IGBTs 101 to 106, and detect the overheated state of the IGBTs 101 to 106 by supplying a constant current to the temperature detection diode.
  • the IPM 100 also incorporates a dedicated temperature detection IC 131 that detects the case temperature separately from the one that detects the chip temperature.
  • the temperature detection IC 131 is mounted on a part of the insulating substrate, and detects the overheat state of the case of the IPM 100 by detecting the temperature of the location.
  • a thermistor is generally used as the temperature detection element of the temperature detection IC 131 (see, for example, Patent Document 1).
  • a diode having the same structure as the temperature detection diode of the IGBTs 101 to 106 is formed on the bare chip of the temperature detection IC 131. We use what we did.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing a conventional IPM overheat protection circuit
  • FIG. 13 is a diagram showing temperature characteristics of a temperature detection diode
  • (A) shows temperature vs. overheat detection voltage during chip overheat protection
  • ( B) shows the temperature vs. overheat detection voltage during case overheat protection.
  • the control ICs 121 to 126 are connected to the IGBTs 101 to 106, respectively, as shown in FIG. That is, the control ICs 121 to 126 each include an output terminal OUT that outputs a gate voltage, a ground terminal GND, an overcurrent detection terminal OC, and an overheat detection terminal OH.
  • the output terminal OUT is connected to the gate terminals of the IGBTs 101 to 106, the ground terminal GND is connected to the emitter terminals of the IGBTs 101 to 106, and the overcurrent detection terminal OC is connected to the current sensing emitter terminals of the IGBTs 101 to 106. Yes.
  • the overheat detection terminal OH is connected to the constant current source 141 and the inverting input terminal of the overheat detection comparator 142, and the non-inverting input terminal of the overheat detection comparator 142 is connected to the reference voltage source 143. Yes.
  • the overheat detection terminal OH is also connected to the anode terminal of the temperature detection diode 107 of the IGBTs 101 to 106, and the cathode terminal of the temperature detection diode 107 is connected to the ground potential of the control ICs 121 to 126 via the ground terminal GND. ing.
  • a constant current from the constant current source 141 is always supplied to the temperature detection diode 107, and a forward voltage corresponding to the chip temperature of the IGBTs 101 to 106 is applied to the inverting input terminal of the overheat detection comparator 142.
  • the temperature characteristic of the temperature detecting diode 107 has a negative temperature characteristic as shown in FIG. 13A, and the reference voltage source 143 outputs a voltage VOH1 corresponding to a temperature of 175 ° C.
  • the overheat detection comparator 142 outputs a low level protection operation signal when the chip temperature is less than 175 ° C., and outputs a high level protection operation signal when the chip temperature becomes higher than 175 ° C.
  • the control ICs 121 to 126 perform control to turn off all the IGBTs 101 to 106 at the same time as outputting an alarm signal from the alarm output circuit.
  • the temperature detection IC 131 includes a temperature detection diode 132, a constant current source 133, and an overheat detection comparator 134.
  • the anode terminal of the temperature detection diode 132 is connected to the constant current source 133 and the inverting input terminal of the overheat detection comparator 134, and the cathode terminal is connected to the ground.
  • a non-inverting input terminal of the overheat detection comparator 134 is connected to the reference voltage source 135.
  • a constant current from the constant current source 133 is always supplied to the temperature detection diode 132, and a forward voltage corresponding to the case temperature is applied to the inverting input terminal of the overheat detection comparator 134.
  • the temperature characteristic of the temperature detection diode 132 has a negative temperature characteristic
  • the reference voltage source 135 outputs a voltage VOH2 corresponding to a temperature of 125 ° C.
  • the present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor module that can detect overheating of the entire case without requiring a dedicated temperature detection IC.
  • a plurality of switching elements each having a temperature detection element for detecting a chip temperature, a plurality of diodes protecting the switching elements, and a plurality of control elements for controlling the switching elements
  • a semiconductor module in which a control circuit is built in one package is provided.
  • the control circuit includes a comparator that compares the temperature detected by the temperature detection element with a predetermined reference temperature for the case, and at least one of the control circuits outputs at least two outputs of the comparators. And an AND circuit for judging case overheating.
  • the semiconductor module having the above configuration has an advantage that the number of parts can be reduced because it can detect overheating of the case without having a dedicated temperature detection IC. Further, since the temperature of the chip that is the heat generation source is detected as the operating temperature of the case overheat protection, the detection accuracy can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration example of a semiconductor module according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a diagram showing temperature characteristics of a temperature detection diode.
  • the semiconductor module according to the first embodiment includes a plurality of, here six, IGBTs 1 to 6, and temperature detection diodes 1 a to 6 a are formed in close contact with the respective IGBTs 1 to 6. ing.
  • the control ICs 11 to 16 as control circuits each include an output terminal OUT that outputs a gate voltage, a ground terminal GND, an overcurrent detection terminal OC, and an overheat detection terminal OH.
  • the output terminal OUT is connected to the gate terminals of the IGBTs 1 to 6
  • the ground terminal GND is connected to the cathode terminals of the temperature detection diodes 1a to 6a
  • the overcurrent detection terminal OC is a current sense of the IGBTs 1 to 6.
  • the ground terminal GND is also connected to the emitter terminals of the IGBTs 2, 4, and 6.
  • the control ICs 11 to 16 include constant current sources 21 to 26, chip overheat detection overheat detection comparators 31 to 36, reference voltage sources 41 to 46, case overheat detection overheat detection comparators 51 to 56, and a reference voltage. Sources 61 to 66 and AND (logical product) circuits 71 to 76 are provided.
  • the overheat detection comparators 31 to 36 and the reference voltage sources 41 to 46 constitute a chip overheat protection circuit
  • the overheat detection comparators 51 to 56, the reference voltage sources 61 to 66, and the AND circuits 71 to 76 are case overheat protection.
  • the circuit is configured.
  • the constant current sources 21 to 26 are connected to the inverting input terminals of the overheat detection comparators 31 to 36 and 51 to 56 and the overheat detection terminal OH.
  • the non-inverting input terminals of the overheat detection comparators 31 to 36 and 51 to 56 are connected to the reference voltage sources 41 to 46, 61 to 66.
  • the output terminals of the overheat detection comparators 31 to 36 are connected to an alarm output circuit and a gate cutoff control circuit (not shown).
  • the output terminals of the overheat detection comparators 51 to 56 are connected to the overheat detection terminals 51a to 56a and one input of the AND circuits 71 to 76.
  • the output terminals of the AND circuits 71 to 76 are connected to an alarm output circuit and a gate cutoff circuit (not shown).
  • the AND circuits 71 to 76 have a plurality of, here six inputs.
  • the overheat detection terminals 52a to 56a of the control ICs 12 to 16 are connected to the second to sixth inputs, respectively.
  • the overheat detection terminals OH of the control ICs 12 to 16 are connected to the anode terminals of the temperature detection diodes 1a to 6a of the IGBTs 1 to 6, and the cathode terminals of the temperature detection diodes 1a to 6a are connected to the control ICs 11 to 11 through the ground terminal GND. It is connected to 16 ground potentials.
  • Constant currents from the constant current sources 21 to 26 are always supplied to the temperature detection diodes 1a to 6a, and a forward voltage corresponding to the chip temperature of the IGBTs 1 to 6 is output to the overheat detection terminal OH as an overheat detection voltage. ing.
  • the overheat detection voltage of the overheat detection terminal OH is applied to the inverting input terminals of the chip overheat detection overheat detection comparators 31 to 36 and the inverting input terminals of the case overheat detection overheat detection comparators 51 to 56.
  • the temperature characteristics of the temperature detection diodes 1a to 6a have negative temperature characteristics in which the overheat detection voltage decreases as the temperature increases.
  • the reference voltage sources 41 to 46 of the chip overheat protection circuit output a voltage VOH1 corresponding to a temperature of 175 ° C.
  • the reference voltage sources 61 to 66 of the case overheat protection circuit have a temperature of 125 ° C. (predetermined reference temperature). ) Is output.
  • the overheat detection threshold voltages output from the reference voltage sources 41 to 46 and 61 to 66 can be selected from voltages corresponding to values other than 175 ° C. and 125 ° C.
  • the overheat detection comparators 31 to 36 output a low level protection operation signal, and any one of the IGBTs 1 to 6 has a high temperature of 175 ° C. or higher. Then, a high level protection operation signal is output.
  • the control ICs 11 to 16 to which the high-level protection operation signal is output perform control to turn off all the IGBTs 1 to 6 at the same time as outputting the alarm signal from the alarm output circuit.
  • the overheat detection comparators 51 to 56 when the chip temperature of the IGBTs 1 to 6 is less than 125 ° C., the overheat detection comparators 51 to 56 output a low level protection operation signal, and when the chip temperature becomes higher than the medium temperature of 125 ° C., the high level protection operation signal Is output.
  • the protection operation signals of the overheat detection comparators 51 to 56 are input to the AND circuit 71 in the case overheat protection circuit of the control IC 11. Therefore, the AND circuit 71 determines that the case is in an overheated state when all of the overheat detection comparators 51 to 56 detect a chip temperature equal to or higher than the intermediate temperature, and outputs a high-level protection operation signal to the overheat detection terminal 51b. To do.
  • the protection operation signal of the overheat detection terminal 51b performs control to turn off all the IGBTs 1 to 6 at the same time as outputting an alarm signal from the alarm output circuit.
  • the case overheating state is determined by performing an AND operation on the detection results of all the temperature detection diodes 1a to 6a.
  • the temperature detection IC for case overheating protection that is provided independently in the conventional semiconductor module, leading to a reduction in the number of parts. Further, since the chip temperature, which is the heat source of the IPM, is directly detected with respect to the operating temperature of the case overheat protection, the detection accuracy can be improved.
  • FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the second embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the second embodiment includes the temperature detecting diodes 1a of the three IGBTs 1, 3, and 5 in each upper arm portion among the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase, and W-phase arm portions. , 3a, 5a is used to determine the overheating state of the case. Therefore, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are constituted by a three-input AND circuit.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 receives the outputs of the overheat detection comparators 51, 53, 55, and the temperature detection diodes 1a, 3a, 5a of the three IGBTs 1, 3, 5 all detect overheat temperatures of 125 ° C. or more. Output a high level protection operation signal.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the logical product operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 71 of the control IC 11.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the semiconductor module according to the third embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the third embodiment includes a temperature detecting diode 2a for three IGBTs 2, 4 and 6 in each lower arm among the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase and W-phase arm portions. , 4a, 6a is used to determine whether the case is overheated. Therefore, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are constituted by a three-input AND circuit.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 receives the outputs of the overheat detection comparators 52, 54, and 56, and the temperature detection diodes 2a, 4a, and 6a of the three IGBTs 2, 4, and 6 all detect overheat temperatures of 125 ° C. or higher. Output a high level protection operation signal.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 72 of the control IC 12.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 may be used.
  • FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the fourth embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the chip temperatures at three locations in total that is, two in the upper arm portion and one in the lower arm portion. Based on this, the case overheat condition is judged.
  • the overheat state of the case is determined based on the overheat detection voltage by the temperature detection diodes 1a and 5a of the two IGBTs 1 and 5 in the upper arm part and the temperature detection diode 4a of the one IGBT 4 in the lower arm part. Deciding.
  • the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are configured by a three-input AND circuit.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 receives the outputs of the overheat detection comparators 51, 54, 55, and the temperature detection diodes 1a, 4a, 5a of the three IGBTs 1, 4, 5 all detect overheat temperatures of 125 ° C. or more. Output a high level protection operation signal.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 71 of the control IC 11.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 may be used.
  • the chip temperatures of the two IGBTs 1 and 5 in the upper arm portion are observed, but the chip temperatures of the IGBTs 1 and 3 or the IGBTs 3 and 5 may be observed.
  • the chip temperature of one IGBT 4 in the lower arm part is observed, but the chip temperature of IGBT 2 or IGBT 6 may be observed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the semiconductor module according to the fifth embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the fifth embodiment includes a total of three chip temperatures, one of the upper arm part and the lower arm part, of the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase, and W-phase arm parts. Based on this, the case overheat condition is judged. In this embodiment, the overheat state of the case is determined based on the overheat detection voltage by the temperature detection diode 3a of one IGBT 3 in the upper arm part and the temperature detection diodes 2a and 6a of the two IGBTs 2 and 6 in the lower arm part. Deciding. In order to collect the three overheat detection voltages, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are configured by a three-input AND circuit.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 receives the output of the overheat detection comparators 52, 53, and 56, and the temperature detection diodes 2a, 3a, and 6a of the three IGBTs 2, 3, and 6 all detect overheat temperatures of 125 ° C. or more. Output a high level protection operation signal.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 72 of the control IC 12.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 may be used.
  • the chip temperature of one IGBT 3 in the upper arm portion is observed, but the chip temperature of IGBT 1 or IGBT 5 may be observed.
  • the chip temperatures of the two IGBTs 2 and 6 in the lower arm portion are observed, but the chip temperatures of the IGBTs 2 and 4 or the IGBTs 4 and 6 may be observed.
  • FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the sixth embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the sixth embodiment includes a total of four chip temperatures, one of the upper arm part and three of the lower arm parts among the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase, and W-phase arm parts. Based on this, the case overheat condition is judged. In this embodiment, the case is based on the overheat detection voltage by the temperature detection diode 3a of one IGBT 3 in the upper arm part and the temperature detection diodes 2a, 4a, 6a of the three IGBTs 2, 4, 6 in the lower arm part. Judgment of overheating condition. In order to collect the four overheat detection voltages, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are constituted by 4-input AND circuits.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 inputs the output of the overheat detection comparators 52, 53, 54, and 56, and the temperature detection diodes 2a, 3a, 4a, and 6a of the four IGBTs 2, 3, 4, and 6 are all 125 ° C. or higher.
  • a high level protection operation signal is output.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 72 of the control IC 12.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 may be used.
  • the chip temperature of one IGBT 3 in the upper arm portion is observed, but the chip temperature of IGBT 1 or IGBT 5 may be observed.
  • FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the seventh embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the seventh embodiment includes a total of four chip temperatures, three of the upper arm part and one of the lower arm part among the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase, and W-phase arm parts. Based on this, the case overheat condition is judged. In this embodiment, the case is based on the overheat detection voltage by the temperature detection diodes 1a, 3a, 5a of the three IGBTs 1, 3, 5 in the upper arm part and the temperature detection diode 4a of the IGBT 4 in the lower arm part. Judgment of overheating condition. In order to collect the four overheat detection voltages, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are constituted by 4-input AND circuits.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 receives the outputs of the overheat detection comparators 51, 53, 54, 55, and the temperature detection diodes 1a, 3a, 4a, 5a of the four IGBTs 1, 3, 4, 5 are all 125 ° C. or higher.
  • a high level protection operation signal is output.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 71 of the control IC 11.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 may be used.
  • the chip temperature of one IGBT 4 in the lower arm portion is observed, but the chip temperature of IGBT 2 or IGBT 6 may be observed.
  • FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the eighth embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • the semiconductor module according to the eighth embodiment includes a total of four chip temperatures, two of the upper arm portion and two of the lower arm portion among the IGBTs 1 to 6 constituting the U-phase, V-phase, and W-phase arm portions. Based on this, the case overheat condition is judged. In this embodiment, the case is based on the overheat detection voltage by the temperature detection diodes 1a and 5a of the two IGBTs 1 and 5 in the upper arm part and the temperature detection diodes 2a and 6a of the two IGBTs 2 and 6 in the lower arm part. Judgment of overheating condition. In order to collect the four overheat detection voltages, the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 are constituted by 4-input AND circuits.
  • the AND circuit 71 of the control IC 11 inputs the outputs of the overheat detection comparators 51, 52, 55, 56, and the temperature detection diodes 1a, 2a, 5a, 6a of the four IGBTs 1, 2, 5, 6 are all 125 ° C. or higher.
  • a high level protection operation signal is output.
  • the control ICs 11 to 16 determine that the case is in an overheated state and output an alarm signal from the alarm output circuit, and at the same time, all the IGBTs 1 to 6 are turned off. Take control.
  • the AND operation of the overheat detection voltage is performed by the AND circuit 71 of the control IC 11.
  • any one of the AND circuits 71 to 76 of the control ICs 11 to 16 may be used.
  • the AND circuit 72 of the control IC 12 may be used.
  • the chip temperatures of the two IGBTs 1 and 5 in the upper arm portion are observed, but the chip temperatures of the IGBTs 1 and 3 or the IGBTs 3 and 5 may be observed.
  • the chip temperatures of the two IGBTs 2 and 6 in the lower arm portion are observed, but the chip temperatures of the IGBTs 2 and 4 or the IGBTs 4 and 6 may be observed.
  • FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration example of the semiconductor module according to the ninth embodiment.
  • symbol is attached
  • some components of the V-phase and W-phase control ICs 13 to 16 are omitted.
  • case overheating is detected by observing the chip temperature of all IGBTs 1 to 6, and overheating detection is performed on the diodes 91 to 96 connected in reverse parallel to the respective IGBTs 1 to 6. It is.
  • diodes 91 and 92, diodes 93 and 94 and diodes 95 and 96 are sandwiched between IGBTs 1, 2, IGBTs 3 and 4, and IGBTs 5 and 6 in each arm part. This is possible in the case of such a layout.
  • the case overheat protection circuit is additionally provided with a diode overheat detection function.
  • the control ICs 11 to 16 has a case overheat protection circuit having a diode overheat detection function, and the other five (control ICs 12 to 16) have a diode overheat detection function.
  • the case where it is set as the structure which does not have is illustrated.
  • the case overheat protection circuit of the control IC 11 includes an overheat detection comparator 51 for detecting case overheat, a reference voltage source 61, an AND circuit 71 with two inputs, and a 3-input AND circuit 71a, and a three-input OR circuit for detecting diode overheat. (OR circuit) 81 is provided.
  • the case overheat protection circuit of the control ICs 12 to 16 includes overheat detection comparators 52 to 56, reference voltage sources 62 to 66, and 2-input AND circuits 72 to 76.
  • the outputs of the overheat detection comparators 51 and 52 are input to the AND circuit 71
  • the outputs of the overheat detection comparators 53 and 54 are input to the AND circuit 73
  • the overheat is detected.
  • the outputs of the detection comparators 55 and 56 are input to the AND circuit 75.
  • the outputs of the AND circuits 71, 73, and 75 are input to the AND circuit 71a, and the output of the AND circuit 71a is connected to the overheat detection terminal 51c.
  • the control IC 11 outputs an alarm signal from the alarm output circuit and simultaneously turns off all the IGBTs 1 to 6. To be controlled.
  • the outputs of the AND circuits 71, 73 and 75 are also input to the OR circuit 81, and the output of the OR circuit 81 is connected to the overheat detection terminal 51d.
  • the alarm output circuit that has received the high-level protection operation signal from the overheat detection terminal 51d outputs the alarm signal.
  • the semiconductor module of the ninth embodiment in addition to the case overheat detection function, it is also possible to detect overheat of the diodes 91 to 96 that generate heat but do not have a temperature detection function like the IGBTs 1 to 6. ing.
  • the IPM provided with six switching elements has been described as an example.
  • the present invention is not limited to such an IPM, and can be applied to a semiconductor module including any number of two or more switching elements.

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Abstract

　専用の温度検出ＩＣを搭載せずにケース全体の過熱を検出できるようにする。　ＩＧＢＴ（１～６）を制御する制御ＩＣ（１１～１６）は、ＩＧＢＴ（１～６）のチップの過熱状態を判断する過熱検出コンパレータ（３１～３６）以外に、ケースの過熱状態を判断する過熱検出コンパレータ（５１～５６）を備えている。過熱検出コンパレータ（５１～５６）の出力は、ＡＮＤ回路（７１）に入力され、すべての過熱検出コンパレータ（５１～５６）がケース過熱状態であると判断したときに、ＡＮＤ回路（７１）がハイレベルの保護動作信号を出力し、アラーム出力回路がアラーム信号を出力する。それぞれＩＧＢＴ（１～６）に形成された温度検出用ダイオード（１ａ～６ａ）によるチップ温度に基づいてチップの過熱状態およびケースの過熱状態を検出しているので、ケース過熱保護用の温度検出ＩＣが不要となり、ケース過熱の検出精度が向上する。

Description

半導体モジュール
　本発明は半導体モジュールに関し、特に電力変換用のスイッチング素子、ダイオードおよび制御ＩＣ（Integrated Circuit）を１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールに関する。
　電力変換用のインバータ回路などでは、スイッチング素子として低損失化、高周波化に優れたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。このようなＩＧＢＴは、単体の素子から、保護用のダイオード（フリーホイーリングダイオード）と、駆動回路や各種保護回路などの周辺回路を含む制御ＩＣとをモジュール内部に取り込んだＩＰＭ（Intelligent Power Module）へと進化している。
　図１１は従来のＩＰＭの内部構成の一例を示す図である。
　この図１１に示したＩＰＭ１００では、三相交流電圧を出力するインバータを構成している。そのため、ＩＰＭ１００は、正極電源端子Ｐ、負極電源端子Ｎおよび出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを有し、６個のＩＧＢＴ１０１～１０６を内蔵している。ＩＧＢＴ１０１～１０６は、それぞれ同一の回路パターン上に搭載された保護用のダイオード１１１～１１６によって逆並列に接続されている。正極電源端子Ｐと負極電源端子Ｎとの間には、３組のアーム部を構成するようにＩＧＢＴ１０１，１０２、ＩＧＢＴ１０３，１０４およびＩＧＢＴ１０５，１０６がそれぞれ直列に接続されている。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各アーム部の中間接続部は、それぞれ出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。
　ＩＧＢＴ１０１～１０６は、それぞれの表面（エミッタ端子）の中央に絶縁層を介してＰＮ接合を持つ温度検出用ダイオードが形成されている。これにより、ＩＧＢＴ１０１～１０６は、温度検出用ダイオードの温度依存性のある順方向電圧をモニタすることによって、ジャンクション温度に近いチップ温度が観測可能になっている。
　ＩＧＢＴ１０１～１０６は、また、それらのゲート端子および温度検出用ダイオードが制御ＩＣ１２１～１２６に接続されている。制御ＩＣ１２１～１２６は、ＩＧＢＴ１０１～１０６をスイッチング制御するとともに、温度検出用ダイオードに定電流を流してＩＧＢＴ１０１～１０６の過熱状態を検出している。
　ＩＰＭ１００は、また、チップ温度を検出するものとは別にケース温度を検出する専用の温度検出ＩＣ１３１が内蔵されている。この温度検出ＩＣ１３１は、絶縁基板の一部に搭載されて、その場所の温度を検出することによって、ＩＰＭ１００のケースの過熱状態を検出している。温度検出ＩＣ１３１の温度検出素子としては、一般にサーミスタが用いられる（たとえば、特許文献１参照）が、ここでは、ＩＧＢＴ１０１～１０６の温度検出用ダイオードと同じ構造のダイオードを温度検出ＩＣ１３１のベアチップ上に形成したものを用いている。
　図１２は従来のＩＰＭの過熱保護回路を示す回路図、図１３は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図であって、（Ａ）はチップ過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示し、（Ｂ）はケース過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示している。
　制御ＩＣ１２１～１２６は、図１２に示したように、それぞれＩＧＢＴ１０１～１０６と接続されている。すなわち、制御ＩＣ１２１～１２６は、それぞれゲート電圧を出力する出力端子ＯＵＴと、グランド端子ＧＮＤと、過電流検出端子ＯＣと、過熱検出端子ＯＨとを備えている。
　出力端子ＯＵＴは、ＩＧＢＴ１０１～１０６のゲート端子に接続され、グランド端子ＧＮＤは、ＩＧＢＴ１０１～１０６のエミッタ端子に接続され、過電流検出端子ＯＣは、ＩＧＢＴ１０１～１０６の電流センス用エミッタ端子に接続されている。
　過熱検出端子ＯＨは、制御ＩＣ１２１～１２６内では、定電流源１４１と過熱検出コンパレータ１４２の反転入力端子とに接続され、過熱検出コンパレータ１４２の非反転入力端子は、基準電圧源１４３に接続されている。過熱検出端子ＯＨは、また、ＩＧＢＴ１０１～１０６の温度検出用ダイオード１０７のアノード端子に接続され、温度検出用ダイオード１０７のカソード端子は、グランド端子ＧＮＤを介して制御ＩＣ１２１～１２６のグランド電位に接続されている。
　温度検出用ダイオード１０７には、定電流源１４１による定電流が常に流されており、ＩＧＢＴ１０１～１０６のチップ温度に対応する順方向電圧が過熱検出コンパレータ１４２の反転入力端子に印加されている。ここで、温度検出用ダイオード１０７の温度特性は、図１３の（Ａ）に示したように、負の温度特性を有し、基準電圧源１４３が１７５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ１を出力しているとする。これにより、チップ温度が１７５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ１４２は、ローレベルの保護動作信号を出力し、チップ温度が１７５℃以上の高温になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力されると、制御ＩＣ１２１～１２６は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１０１～１０６をすべてオフにする制御を行う。
　一方、温度検出ＩＣ１３１は、温度検出用ダイオード１３２と、定電流源１３３と過熱検出コンパレータ１３４とを備えている。温度検出用ダイオード１３２は、そのアノード端子が定電流源１３３と過熱検出コンパレータ１３４の反転入力端子とに接続され、カソード端子がグランドに接続されている。過熱検出コンパレータ１３４の非反転入力端子は、基準電圧源１３５に接続されている。
　温度検出用ダイオード１３２には、定電流源１３３による定電流が常に流されており、ケース温度に対応する順方向電圧が過熱検出コンパレータ１３４の反転入力端子に印加されている。ここで、温度検出用ダイオード１３２の温度特性は、図１３の（Ｂ）に示したように、負の温度特性を有し、基準電圧源１３５が１２５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ２を出力しているとする。これにより、ケース温度が１２５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ１３４は、ローレベルの保護動作信号を出力し、ケース温度が１２５℃の中温以上になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力されると、温度検出ＩＣ１３１は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１０１～１０６をすべてオフにする制御を行う。
特開２００２－１８４９４０号公報（段落〔０１０９〕）
　しかしながら、従来のＩＰＭでは、ケースの過熱検出のために専用の温度検出ＩＣが必要であり、しかも、ケースの過熱検出は、温度検出ＩＣが搭載されている箇所の一点であって、他の地点で過熱があっても検出することができないという問題点があった。
　本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、専用の温度検出ＩＣが不要でありながらケース全体の過熱を検出すること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。
　本発明では、上記の課題を解決するために、それぞれチップ温度検出のための温度検出素子が形成された複数のスイッチング素子と、スイッチング素子を保護する複数のダイオードと、スイッチング素子を制御する複数の制御回路とを１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールが提供される。この半導体モジュールでは、制御回路は、温度検出素子による検出温度をケース用の所定の基準温度と比較するコンパレータをそれぞれ備え、さらに、制御回路の少なくとも１つは、コンパレータのうちの少なくとも２つの出力を受けてケース過熱を判断する論理積回路を備えていることを特徴とする。
　上記構成の半導体モジュールは、専用の温度検出ＩＣを有することなしにケースの過熱を検出することができるので、部品点数を削減することができるという利点がある。また、ケース過熱保護の動作温度として発熱源であるチップの温度を検出しているので、検出精度を向上することができる。
　本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
第１の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第３の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第４の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第６の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第７の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第８の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 第９の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。 従来のＩＰＭの内部構成の一例を示す図である。 従来のＩＰＭの過熱保護回路を示す回路図である。 温度検出用ダイオードの温度特性を示す図であって、（Ａ）はチップ過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示し、（Ｂ）はケース過熱保護時の温度対過熱検出電圧を示している。
　以下、本発明の実施の形態について、６個のＩＧＢＴをスイッチング制御することにより三相交流電圧を出力するように構成されたインバータ機能を有するＩＰＭに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。
　図１は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図、図２は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。
　第１の実施の形態に係る半導体モジュールでは、複数の、ここでは、６個のＩＧＢＴ１～６を備えており、それぞれのＩＧＢＴ１～６には、温度検出用ダイオード１ａ～６ａが密着して形成されている。
　制御回路としての制御ＩＣ１１～１６は、それぞれゲート電圧を出力する出力端子ＯＵＴと、グランド端子ＧＮＤと、過電流検出端子ＯＣと、過熱検出端子ＯＨとを備えている。ここで、出力端子ＯＵＴは、ＩＧＢＴ１～６のゲート端子に接続され、グランド端子ＧＮＤは、温度検出用ダイオード１ａ～６ａのカソード端子に接続され、過電流検出端子ＯＣは、ＩＧＢＴ１～６の電流センス用エミッタ端子に接続されている。グランド端子ＧＮＤは、また、ＩＧＢＴ２，４，６のエミッタ端子に接続されている。
　制御ＩＣ１１～１６は、定電流源２１～２６と、チップ過熱検出用の過熱検出コンパレータ３１～３６と、基準電圧源４１～４６と、ケース過熱検出用の過熱検出コンパレータ５１～５６と、基準電圧源６１～６６と、ＡＮＤ（論理積）回路７１～７６とを備えている。ここで、過熱検出コンパレータ３１～３６および基準電圧源４１～４６は、チップ過熱保護回路を構成し、過熱検出コンパレータ５１～５６、基準電圧源６１～６６およびＡＮＤ回路７１～７６は、ケース過熱保護回路を構成している。
　定電流源２１～２６は、過熱検出コンパレータ３１～３６，５１～５６の反転入力端子と、過熱検出端子ＯＨとに接続されている。過熱検出コンパレータ３１～３６，５１～５６の非反転入力端子は、基準電圧源４１～４６，６１～６６に接続されている。過熱検出コンパレータ３１～３６の出力端子は、図示しないアラーム出力回路およびゲート遮断制御回路に接続されている。過熱検出コンパレータ５１～５６の出力端子は、過熱検出端子５１ａ～５６ａとＡＮＤ回路７１～７６の１つの入力に接続されている。ＡＮＤ回路７１～７６の出力端子は、図示しないアラーム出力回路およびゲート遮断回路に接続されている。ＡＮＤ回路７１～７６は、複数の、ここでは６つの入力を有している。ＡＮＤ回路７１は、２～６番目の入力に、制御ＩＣ１２～１６の過熱検出端子５２ａ～５６ａがそれぞれ接続されている。
　制御ＩＣ１２～１６の過熱検出端子ＯＨは、ＩＧＢＴ１～６の温度検出用ダイオード１ａ～６ａのアノード端子に接続され、温度検出用ダイオード１ａ～６ａのカソード端子は、グランド端子ＧＮＤを介して制御ＩＣ１１～１６のグランド電位に接続されている。
　温度検出用ダイオード１ａ～６ａには、定電流源２１～２６による定電流が常に流されており、ＩＧＢＴ１～６のチップ温度に対応する順方向電圧が過熱検出電圧として過熱検出端子ＯＨに出力されている。過熱検出端子ＯＨの過熱検出電圧は、チップ過熱検出用の過熱検出コンパレータ３１～３６の反転入力端子とケース過熱検出用の過熱検出コンパレータ５１～５６の反転入力端子とに印加される。ここで、温度検出用ダイオード１ａ～６ａの温度特性は、図２に示したように、温度が高くなるほど過熱検出電圧が低くなる負の温度特性を有している。また、チップ過熱保護回路の基準電圧源４１～４６は、１７５℃の温度に対応する電圧ＶＯＨ１を出力し、ケース過熱保護回路の基準電圧源６１～６６は、１２５℃の温度（所定の基準温度）に対応する電圧ＶＯＨ２を出力しているとする。なお、基準電圧源４１～４６，６１～６６が出力する過熱検出しきい値電圧は、１７５℃および１２５℃以外の他の値に対応する電圧を選択することができる。
　これにより、ＩＧＢＴ１～６のチップ温度が１７５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ３１～３６は、ローレベルの保護動作信号を出力し、ＩＧＢＴ１～６のいずれか１つのチップ温度が１７５℃以上の高温になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。このハイレベルの保護動作信号が出力された制御ＩＣ１１～１６は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６をすべてオフにする制御を行う。
　また、ＩＧＢＴ１～６のチップ温度が１２５℃未満のとき、過熱検出コンパレータ５１～５６は、ローレベルの保護動作信号を出力し、チップ温度が１２５℃の中温以上になると、ハイレベルの保護動作信号を出力する。過熱検出コンパレータ５１～５６の保護動作信号は、制御ＩＣ１１のケース過熱保護回路におけるＡＮＤ回路７１に入力される。したがって、このＡＮＤ回路７１は、すべての過熱検出コンパレータ５１～５６が中温以上のチップ温度を検出したとき、ケースが過熱状態にあると判断され、過熱検出端子５１ｂにハイレベルの保護動作信号を出力する。過熱検出端子５１ｂの保護動作信号は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６をすべてオフにする制御を行う。
　なお、この第１の実施の形態に係る半導体モジュールでは、すべての温度検出用ダイオード１ａ～６ａによる検出結果を論理積演算することによってケースの過熱状態を判断している。しかし、温度検出用ダイオード１ａ～６ａのうちの２以上の過熱検出電圧を論理積演算することによってもケースの過熱状態を判断することは可能である。
　また、従来の半導体モジュールで独立して設けていたケース過熱保護用の温度検出ＩＣを省くことができ、部品点数の削減に繋がる。また、ケース過熱保護の動作温度について、ＩＰＭの発熱源であるチップ温度を直接検出しているので、検出精度を向上させることができる。
　図３は第２の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、各上アーム部の３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａによる過熱検出電圧によってケースの過熱状態を判断している。このため、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５３，５５の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよい。
　図４は第３の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第３の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、各下アーム部の３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａによる過熱検出電圧によってケースの過熱状態を判断している。このため、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５４，５６の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。
　図５は第４の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第４の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、上アーム部の２つと下アーム部の１つの計３箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５の温度検出用ダイオード１ａ，５ａと下アーム部の１つのＩＧＢＴ４の温度検出用ダイオード４ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。３箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５４，５５の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ１，４，５の温度検出用ダイオード１ａ，４ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１，３またはＩＧＢＴ３，５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の１つのＩＧＢＴ４のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２またはＩＧＢＴ６のチップ温度を観測してもよい。
　図６は第５の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第５の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、上アーム部の１つと下アーム部の２つの計３箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３の温度検出用ダイオード３ａと下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６の温度検出用ダイオード２ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。３箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、３入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５３，５６の出力を入力し、３つのＩＧＢＴ２，３，６の温度検出用ダイオード２ａ，３ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１またはＩＧＢＴ５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２，４またはＩＧＢＴ４，６のチップ温度を観測してもよい。
　図７は第６の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第６の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、上アーム部の１つと下アーム部の３つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３の温度検出用ダイオード３ａと下アーム部の３つのＩＧＢＴ２，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，４ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２は、過熱検出コンパレータ５２，５３，５４，５６の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ２，３，４，６の温度検出用ダイオード２ａ，３ａ，４ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７２がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の１つのＩＧＢＴ３のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１またはＩＧＢＴ５のチップ温度を観測してもよい。
　図８は第７の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第７の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、上アーム部の３つと下アーム部の１つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の３つのＩＧＢＴ１，３，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，５ａと下アーム部の１つのＩＧＢＴ４の温度検出用ダイオード４ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５３，５４，５５の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ１，３，４，５の温度検出用ダイオード１ａ，３ａ，４ａ，５ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、下アーム部の１つのＩＧＢＴ４のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２またはＩＧＢＴ６のチップ温度を観測してもよい。
　図９は第８の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第８の実施の形態に係る半導体モジュールは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム部を構成するＩＧＢＴ１～６のうち、上アーム部の２つと下アーム部の２つの計４箇所のチップ温度を基にケースの過熱状態を判断している。この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５の温度検出用ダイオード１ａ，５ａと下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６の温度検出用ダイオード２ａ，６ａとによる過熱検出電圧を基にケースの過熱状態を判断している。４箇所の過熱検出電圧を纏めるために、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６は、４入力ＡＮＤ回路によって構成されている。
　制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１は、過熱検出コンパレータ５１，５２，５５，５６の出力を入力し、４つのＩＧＢＴ１，２，５，６の温度検出用ダイオード１ａ，２ａ，５ａ，６ａがすべて１２５℃以上の過熱温度を検出したとき、ハイレベルの保護動作信号を出力する。ＡＮＤ回路７１がハイレベルの保護動作信号を出力した場合、制御ＩＣ１１～１６は、ケースが過熱状態にあると判断し、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　なお、この実施の形態では、過熱検出電圧の論理積演算は、制御ＩＣ１１のＡＮＤ回路７１で行っているが、制御ＩＣ１１～１６のＡＮＤ回路７１～７６のどれか１つを利用すればよく、たとえば、制御ＩＣ１２のＡＮＤ回路７２でもよい。また、この実施の形態では、上アーム部の２つのＩＧＢＴ１，５のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ１，３またはＩＧＢＴ３，５のチップ温度を観測してもよい。同様に、この実施の形態では、下アーム部の２つのＩＧＢＴ２，６のチップ温度を観測しているが、ＩＧＢＴ２，４またはＩＧＢＴ４，６のチップ温度を観測してもよい。
　図１０は第９の実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成例を示す図である。なお、図１に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素には同じ符号を付してある。また、Ｖ相およびＷ相の制御ＩＣ１３～１６の一部の構成要素は省略してある。
　第９の実施の形態に係る半導体モジュールでは、すべてのＩＧＢＴ１～６のチップ温度の観測によるケース過熱検出とともに、それぞれのＩＧＢＴ１～６に逆並列に接続されたダイオード９１～９６の過熱検出を行うものである。特に、この半導体モジュールが図１１の場合のように、各アーム部で、ダイオード９１，９２、ダイオード９３，９４およびダイオード９５，９６がＩＧＢＴ１，２、ＩＧＢＴ３，４およびＩＧＢＴ５，６によって挟まれているようなレイアウトの場合に可能である。このような場合、ＩＧＢＴ１～６およびダイオード９１～９６が正常であるとき、各アーム部において上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１～６が同時に異常発熱するということは希有である。このため、上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１～６が同時に中温以上に発熱した場合、そのアーム部の少なくとも一方のダイオード９１～９６は、過熱している可能性があると判断できる。
　したがって、この半導体モジュールの制御ＩＣ１１～１６では、ケース過熱保護回路が追加的にダイオード過熱検出機能を備えるようにしている。なお、この実施の形態では、制御ＩＣ１１～１６の１個（制御ＩＣ１１）だけケース過熱保護回路がダイオード過熱検出機能を備え、他の５個（制御ＩＣ１２～１６）は、ダイオード過熱検出機能を持たない構成にした場合を例示している。
　制御ＩＣ１１のケース過熱保護回路は、ケース過熱検出用に過熱検出コンパレータ５１、基準電圧源６１、２入力のＡＮＤ回路７１および３入力のＡＮＤ回路７１ａを備え、ダイオード過熱検出用に３入力のＯＲ回路（論理和回路）８１を備えている。制御ＩＣ１２～１６のケース過熱保護回路は、過熱検出コンパレータ５２～５６、基準電圧源６２～６６、２入力のＡＮＤ回路７２～７６を備えている。
　ここで、Ｕ相では、過熱検出コンパレータ５１，５２の出力は、ＡＮＤ回路７１に入力され、Ｖ相では、過熱検出コンパレータ５３，５４の出力は、ＡＮＤ回路７３に入力され、Ｗ相では、過熱検出コンパレータ５５，５６の出力は、ＡＮＤ回路７５に入力されている。さらに、ＡＮＤ回路７１，７３，７５の出力は、ＡＮＤ回路７１ａに入力され、そのＡＮＤ回路７１ａの出力が過熱検出端子５１ｃに接続されている。これにより、すべてのＩＧＢＴ１～６のチップ温度が中温以上になった場合、ケースが過熱状態にあると判断され、制御ＩＣ１１は、アラーム出力回路からアラーム信号を出力すると同時にＩＧＢＴ１～６がすべてオフにされる制御を行う。
　一方、ＡＮＤ回路７１，７３，７５の出力は、ＯＲ回路８１にも入力され、そのＯＲ回路８１の出力は、過熱検出端子５１ｄに接続されている。これにより、それぞれのアーム部における上アーム部および下アーム部のＩＧＢＴ１，２、ＩＧＢＴ３，４またはＩＧＢＴ５，６が同時に中温以上に過熱した場合、ダイオード９１～９６のいずれかが過熱状態にあると判断することができる。この場合、ダイオード９１～９６が高温で動作し続けることは好ましくないので、制御ＩＣ１１は、過熱検出端子５１ｄからハイレベルの保護動作信号を受けたアラーム出力回路がアラーム信号を出力することになる。
　このように、第９の実施の形態に係る半導体モジュールによれば、ケース過熱検出機能に加え、ＩＧＢＴ１～６と同様に発熱するけれども温度検出機能は持たないダイオード９１～９６の過熱検出も可能にしている。
　なお、上記の実施の形態では、６個のスイッチング素子を備えたＩＰＭを例に説明した。しかし、本発明は、そのようなＩＰＭに限定されるものではなく、２個以上の任意数のスイッチング素子を備えた半導体モジュールに適用することが可能である。
　上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
　１～６　ＩＧＢＴ
　１ａ～６ａ　温度検出用ダイオード
　１１～１６　制御ＩＣ
　２１～２６　定電流源
　３１～３６　過熱検出コンパレータ（チップ過熱保護用）
　４１～４６　基準電圧源
　５１～５６　過熱検出コンパレータ（ケース過熱保護用）
　６１～６６　基準電圧源
　７１～７６，７１ａ　ＡＮＤ回路
　８１　ＯＲ回路
　９１～９６　ダイオード

Claims (9)

  1. 　それぞれチップ温度検出のための温度検出素子が形成された複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を保護する複数のダイオードと、前記スイッチング素子を制御する複数の制御回路とを１つのパッケージに内蔵した半導体モジュールにおいて、
    　前記制御回路は、前記温度検出素子による検出温度をケース用の所定の基準温度と比較するコンパレータをそれぞれ備え、
    　前記制御回路の少なくとも１つは、前記コンパレータのうちの少なくとも２つの出力を受けてケース過熱を判断する論理積回路を備えていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　第１ないし第３アーム部の上アーム部および下アーム部にそれぞれ前記スイッチング素子を配置してインバータ回路が構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
  3. 　前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する３つの前記制御回路の下アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  4. 　前記論理積回路は、さらに前記コンパレータのうち前記上アーム部の少なくとも１つに配置された前記スイッチング素子を制御する前記制御回路の上アーム用コンパレータの出力を入力していることを特徴とする請求項３記載の半導体モジュール。
  5. 　前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記上アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する３つの前記制御回路の上アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  6. 　前記論理積回路は、さらに前記コンパレータのうち前記下アーム部の少なくとも１つに配置された前記スイッチング素子を制御する前記制御回路の下アーム用コンパレータの出力を入力していることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール。
  7. 　前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記上アーム部の任意の２つにそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の上アーム用コンパレータのそれぞれの出力と、前記下アーム部の任意の２つにそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の下アーム用コンパレータのそれぞれの出力とを入力していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  8. 　前記論理積回路は、前記コンパレータのうち前記第１アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第１アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第１論理積回路と、前記コンパレータのうち前記第２アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第２アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第２論理積回路と、前記コンパレータのうち前記第３アーム部の前記上アーム部および前記下アーム部にそれぞれ配置された前記スイッチング素子を制御する２つの前記制御回路の第３アーム用コンパレータのそれぞれの出力を入力する第３論理積回路と、前記第１論理積回路、前記第２論理積回路および前記第３論理積回路の出力を入力する第４論理積回路とを有していることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
  9. 　前記第１論理積回路、前記第２論理積回路および前記第３論理積回路の出力を入力する論理和回路をさらに有していることを特徴とする請求項８記載の半導体モジュール。
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