功率模块的制作方法

本发明涉及将在电源电路等中使用的功率半导体元件内置的功率模块。

背景技术：

以往，在逆变器等的电源电路中，电力用mosfet、双极晶体管、igbt(栅极绝缘双极晶体管)等的功率半导体元件一般是作为开关元件来使用的。通常来说，这些功率半导体元件，是将单个元件或是多个元件收容在封装件(package)内，并作为具备散热板等的功率模块来进行封装。在专利文献1以及2中，就记载了功率模块的以往例子。

图8是展示具有以往的功率模块的电源电路的一例电路图。

该电源电路是将由变压器4左边的一次侧提供的交流电压，通过其右边的二次侧中的两个功率模块5-1、5-2交互地进行on/off开关切换从而转换为直流电压，并经由阻流线圈3以及电容器2对电池1进行充电。在各个功率模块5-1、5-2的封装件内，分别内置有作为开关用功率半导体元件的mosfet5a。

以往，在将功率模块(例如5-1、5-2)运用于电源电路时，一般会考虑到因大电力运作带来的功率半导体元件(例如mosfet5a)的发热所导致的劣化从而会进行对策。例如，在专利文献1中，记载了一种根据在功率半导体元件处流通正方向电流时的电流值变化，对热电阻的劣化以及焊锡接合部的劣化进行检测的方法。在专利文献2中，记载了一种通过使用宽带隙半导体来作为功率半导体元件，从而即使是在流通大电流时也能够将半导体元件接合部的温度下降至容许值以下的方法。另外，在如图8所示的电源电路中，作为对策，还插入有用于在流向电池1的供给线路上防止过电流的熔断器(fuse)。

【先行技术文献】

【专利文献1】特开2009-19953号公报

【专利文献2】wo2011-086705号公报

然而，在以往的功率模块(例如5-1、5-2)中，存在有如以下(a)～(c)的课题。

(a)如上述般，虽然会在对于功率半导体元件(例如mosfet5a)劣化的检测和减少温度上升上下功夫，但是功率模块5-1、5-2本身并不具备保护功能。因此，在功率模块5-1、5-2内的mosfet5a发生短路故障时，就无法对短路电流进行限制。

(b)在外部电路中插入熔断器以防止过电流的情况下，是以电源电路等的电路整体的电流为基准来决定切断电流值。因此，在使用多个功率模块5-1、5-2的电路中，很难对每个功率模块5-1、5-2的短路电流都做出对应。

(c)在使用熔断器的情况下，切断电流需要一定的时间。而一旦功率模块5-1、5-2发生短路故障，温度就会急剧上升。因此，为了安全就有必要尽可能在瞬间阻断其电流，而这样就会使熔断器的选定变得很困难。

鉴于上述课题的解决，本发明的目的在于提供一种能够在功率模块内的功率半导体元件发生短路故障时，瞬间阻断短路电流从而防止温度急剧上升的功率模块。

技术实现要素：

本发明的功率模块，其特征在于：功率半导体元件，用于对电流进行导通/阻断的开关转换；检测手段，在对所述功率半导体元件的运作状态进行检测后输出检测信号；以及开关，用于阻断电流，与所述功率半导体元件串联，并且对基于所述检测信号生成的控制信号做出应答，在所述功率半导体元件正常运作时处于导通状态从而使流通所述功率半导体元件的电流导通，在所述功率半导体元件发生短路故障时处于阻断状态从而阻断流通所述功率半导体元件的电流，均被收容在封装件内。

发明效果

根据本发明的功率模块，能够获得如下述(i)、(ii)的效果。

(i)由于是将用于阻断电流的开关与功率半导体元件串联后配置在功率模块的封装件内，因此就能够瞬间阻断该功率半导体元件的短路电流。

(ii)由于是将检测功率半导体元件运作状态的检测手段配置在功率模块的封装件内，因此在功率半导体元件发生短路故障时，就能够在无需外部检测手段的情况下容易地进行检测。

通过以上效果，就能够在功率模块内的功率半导体元件发生短路故障时，瞬间阻断短路电流从而防止温度急剧上升。

简单附图说明

图1是展示本发明实施例一中的功率模块的概略电路图。

图2是展示图1的适用例一的电源电路中的概略电路图。

图3是展示图1的适用例二的附带控制电路的功率模块中的概略电路图。

图4是展示本发明实施例二中的功率模块的概略电路图。

图5是展示本发明实施例三中的功率模块的概略电路图。

图6是展示本发明实施例四中的功率模块的概略电路图。

图7是展示本发明实施例五中的功率模块的概略电路图。

图8是展示具备以往的功率模块的电源电路的一例电路图。

具体实施方式

在以下的理想的实施例的说明的基础上接合附图进行对照，就能够清晰地展现对用于实施本发明的形态。另外，各附图仅为用于说明的简图，并不对本发明的范围进行限定。

【实施例一】

(实施例一的功率模块的构成)

图1是展示本发明实施例一中的功率模块的概略电路图。

该功率模块10具有将功率半导体元件等收容的封装件10a。封装件10a由高耐热性·高绝缘性的树脂和陶瓷等形成。在该封装件10a中，配置有：电流输入端子11、电流输出端子12、输入开关转换信号si1的控制端子13、输入控制信号si2的控制端子14、以及输出电流检测信号s15的检测端子15。

在封装件10a内，收容有：用于开关转换的功率半导体元件(例如mosfet)21、用于阻断电流的开关(例如mosfet)22、以及作为检测手段的一种的电流检测手段(例如电阻)23。mosfet21的漏极·源极、mosfet22的漏极·源极、以及电阻23被串联在电流输入端子11与电流输出端子12之间。mosfet21的栅极与控制端子13相连接，mosfet22的栅极与控制端子14相连接。mosfet22与电阻23的连接点与检测端子15相连接。

mosfet21具有：通过从控制端子13输入至栅极的开关转换信号si1，在漏极·源极间进行on/off运作，从而将在电流输入端子11与电源输出端子12之间流通的电流导通/阻断的功能。mosfet22具有：通过从控制端子14流入至栅极的控制信号si2，在漏极·源极间进行on/off运作，并在mosfet21正常运作时处于导通状态(on状态)，从而使流通mosfet21的电流导通，并在mosfet21发生短路故障时处于阻断状态(off状态)，从而阻断流通mosfet21的电流的功能。

从检测端子15和电流输出端子12处，能够将电阻23两端的电压，作为用于检测mosfet21运作状态的检测信号(例如电流检测信号)s15来取得。取得的电流检测信号s15被提供至配置在外部的未图示的控制电路，并且通过该控制电路生成控制信号si2并输入至控制端子14。因此，电阻23具有：作为检测手段对mosfet21的运作状态进行检测后将电流检测信号s15进行输出的功能。

(实施例一的功率模块的运作)

外部控制电路在判定由检测端子15以及电流输出端子12间输出的电流检测信号s15处于正常范围时，生成用于导通电流的控制信号si2并输入至控制端子14。通过被输入的用于导通电流的控制信号si2，mosfet22则变为on状态。在该状态下，通过从控制端子13处输入的开关转换信号si1，mosfet21进行on或off运作，从而将电流输入端子11与电流输出端子12之间流通的电流导通或阻断。

一旦mosfet21劣化并发生短路故障，大的短路电流就会经由mosfet22流通至电阻23。这样的话，被从检测端子15以及电流输出端子12间输出的电流检测信号s15就会被供给至外部未图示的控制电路。

外部控制电路则会由于电流检测信号s15的增加，判定mosfet21发生了短路故障，从而会生成用于阻断电流的控制信号si2并输入至控制端子14。而一旦用于阻断电流的控制信号si2被输入至控制端子14，则mosfet22瞬间会由on状态切换为off状态，并且阻断mosfet21处流通的电流。通过这样，mosfet21处的温度急剧上升就得以被抑制。

(实施例一的适用例一)

图2是展示图1的功率模块10的适用例一的电源电路中的概略电路图。

该电源电路具有将供给至电池30的直流电压进行输入的正极输入端子31以及负极输入端子32。正极输入端子31以及负极输入端子32处经由电容器33以及阻流线圈34连接有变压器35。变压器35的一方的电极与负极输入端子32之间连接有第一功率模块10-1。变压器35的另一方的电极与负极输入端子32之间连接有二功率模块10-2。

第一以及第二功率模块10-1、10-2分别与图1的功率模块10为同一构成。在第一功率模块10-1中，电流输入端子11与变压器35的一方的电极相连接，电流输出端子12与负极输入端子32相连接。在第二功率模块10-2中，电流输入端子11与变压器35的另一方的电极相连接，电流输出端子12与负极输入端子32相连接。

具有这样构成的电源电路的运作如下。

通过变压器35左边的一次侧提供的交流电压通过变压器35右边的二次侧中的两个功率模块10-1、10-2交互地进行on/off开关切换从而转换为直流电压。该直流电压在经由阻流线圈34以及电容器33平滑处理后，被提供至电池30。通过这样电池30就得以被充电。

在第一以及第二功率模块10-1、10-2中，mosfet22在mosfet21正常运作时处于on状态，从而使流通该mosfet21的电流导通。此时，电阻23两端的电压作为流通两个mosfet21、22的电流的电流检测信号s15，从检测端子15以及电流输出端子12间被外部未图示的控制电力所取得。

外部控制电路在判断电流检测信号s15处于正常范围时，将用于电流导通的控制信号si2输入至mosfet22的控制端子14，从而使mosfet22变为on状态。另一方面，外部控制电路在判定到电流检测信号s15增加，并且mosfet21发生短路故障的情况下，从控制端子14输入用于阻断电流的控制信号si2，从而将mosfet22变为off状态。因此，在mosfet21发生短路故障时，就能够瞬间阻断其电流，从而切断来自于电池30的过剩直流电流的供给，最终抑制mosfet21温度的急剧上升。

(实施例一的适用例二)

图3是展示图1的功率模块10的适用例二的附带控制电路的功率模块中的概略电路图。

该附带控制电路的功率模块具有：输入矩形波开关转换信号si1的输入端子41、以及输出端子42。输入端子41以及输出端子42处连接有图1的功率模块10和控制电路50。即，输入端子41与功率模块10的控制端子13相连接，并且输出端子42与控制电路50和功率模块10的电流输出端子12相连接。功率模块10的控制端子14以及检测端子15和输出端子42处外接有控制电路50。

控制电路50从外部对功率模块10的运作进行控制，例如，被封装件50a收容并模块化。封装件50a上设有输入端子51，从该封装件50a处导出的引线(lead)与功率模块10的控制端子14以及检测端子15和输出端子42相连接。

控制电路50具有：输出基准电压vref的基准电压源52、比较电路53、以及锁存(latch)电路54。基准电压源52的负极侧与输出端子42相连接，正极与比较电路53的第二输入端子相连接。比较电路53的第一输入端子与功率模块10的检测端子15相连接。比较电路53将从第一输入端子输入的电流检测信号s15同从第二输入端子输入的基准电压vref进行大小比较后将比较信号输入，该输出侧连接有锁存电路54的输入端子。

锁存电路54的其他输入端子处连接有输入端子51，并且该锁存电路54的输出端子处还连接有功率模块10的控制端子14。锁存电路54基于从输入端子51输入的驱动信号将比较电路53的比较信号锁存，并按照规定的时间点，将控制信号si2输出至功率模块10的控制端子14。

具有此构成的附带控制电路的功率模块的运作如下。

在控制电路50中，从功率模块10的检测端子15处作为电流检测信号s15输出的电阻23的电压值，被输入至比较电路53，并且被与基准电压vref做比较。基准电压vref的电压值被设定在：可对mosfet21正常运作时的电流下电阻23处生成的电压，与发生短路故障时的电流下产生的电压进行判定的电压值。因此，比较电路53就会在电流检测信号s15小于基准电压vref时，将给予正常运作的比较信号输出至锁存电路54，并且在电流检测信号s15大于基准电压vref时，将给予阻断运作的比较信号输出至锁存电路54。

锁存电路54会在从比较电路53处输出给予正常运作的比较信号的期间内，将用于使mosfet22变为on状态的控制信号si2输出至控制端子14。另一方面，从比较电路53处一旦输出给予阻断运作的比较信号，则锁存电路54就会将用于使mosfet22变为off状态的控制信号si2输出至控制端子14，并保持该状态。

像这样的外接控制电路50也被附带于图2的功率模块10-1、10-2。另外，在对所使用的多个功率模块10-1、10-2使用外接控制电路50的情况下，也可以使用将分别对应所使用的多个功率模块10-1、10-2的控制电路作为整体包含的电路。

在本实施例一中，作为判定发生短路故障的电流值，例如，可以以mosfet21的额定电流的两至三倍的电流值为判定基准，并以对应该电流值的检测电压作为基准电压vref。

(实施例一的效果)

根据本实施例一的功率模块10(＝10-1、10-2)和具有该功率模块的电源电路，具备如下述(a)～(c)的效果。

(a)图2的功率模块10-1、10-2在其内部的mosfet21发生短路故障时，会瞬间阻断其电流路，从而阻断来自于电池30的过剩电流供给。因此，就能够防止mosfet21温度的急剧上升。

(b)如所述(a)这样的功率模块10-1、10-2在发生短路故障时，就能够在控制电路50或整个电源电路中通过警报(alarm)等进行标示。特别是通过在控制电路50中进行警报标示示，就能够显示故障部位。

(c)由于mosfet22只作为用于阻断电流的开关发挥功能即可，因此不需要进行高速运作。例如，由于其运作速度可以比mosfet21慢一个数位以上，因此就使芯片尺寸的小型化成为可能。

(实施例二)

(实施例二的构成)

图4是展示本发明的实施例二中的功率模块的概略电路图。另外图4中与展示实施例一的图1中共通的要素使用了共通的符号进行表示。

本实施例二中的功率模块10a在检测端子15与mosfet21与mosfet22的连接点相连接这一点上不同于实施例一中的功率模块10。从检测端子15与电流输出端子12处，将包含mosfet22与电阻23的电路两端的电压，作为用于检测mosfet21运作状态的电流检测信号s15来取得。

本实施例二的其他构成，与实施例一相同。

(实施例二的运作)

本实施例中的功率模块10a的运作与实施例一中的功率模块10相同。但是，本实施例的电流检测信号s15只比实施例一中功率模块10中的电流检测信号s15大了mosfet22两端产生的电压的份。电流检测信号s15被提供至设置在外部的未图示的控制电路，并且通过该控制电路来生成控制信号si2，并输入至控制端子14。

外部控制电路在判定由检测端子15以及电流输出端子12间输出的电流检测信号s15处于正常范围时，生成用于导通电流的控制信号si2并输入至控制端子14。通过被输入的用于导通电流的控制信号si2，mosfet22则变为on状态。

一旦mosfet21发生短路故障，大的短路电流就会流通mosfet22以及电阻23处，并且电流检测信号s15就会增加。这样，外部控制电路就会生成用于阻断电流的控制信号si2并输入至控制端子14，瞬间将mosfet22从on状态切换为off状态，阻断流通mosfet21的电流。通过这样，mosfet21处的温度急剧上升就得以被抑制。

(实施例三)

(实施例三的构成)

图5是展示本发明的实施例三中的功率模块的概略电路图。另外图5中与展示实施例一的图1中共通的要素使用了共通的符号进行表示。

在本实施例三的功率模块10b中，设置有作为温度检测手段的热敏电阻等的感温元件24，来取代实施例一中功率模块10的电阻23，并且，相对于实施例一种功率模块10的检测端子15，还追加设置有检测端子16。

两个检测端子15、16被设置在封装件10a中，该两个检测端子15、16之间设置有感温元件24。感温元件24被设置在mosfet21的近旁，其对mosfet21运作时产生的温度进行检测后将温度检测信号s24输出至检测端子15、16。作为感温元件24，例如，在使用热敏电阻的情况下，该热敏电阻会由于温度导致电阻值发生变化，因此可以将该电阻值的变化作为温度检测信号s24来利用。

本实施例三的其他构成，与实施例一相同。

(实施例三的运作)

一旦功率模块10b内的mosfet21发生短路故障，该mosfet21的温度就会上升。这样，该温度上升就会被感温元件24检测到，并且温度检测信号s24就会被输出至检测端子15、16。温度检测信号s24例如被提供至与图3中外置的控制电路50相同的控制电路。

例如，在与图3中外置的控制电路50相同的控制电路中，比较电路53将被提供的温度检测信号s24同基准电压vref进行比较。该mosfet21运作时的温度依存于mosfet21种类和包含散热板等的构造、运作条件等，或是根据感温元件24的设置部位不同则检测温度也会发生变化。因此，基准电压vref是依存于作为对象的功率模块10b而设定的。也就是说，基准电压vref的电压值被设定为能够在：mosfet21正常运作时检测出的温度、与短路故障时检测出的温度之间进行判定。

比较电路53会在温度检测信号s24小于基准电压vref时，输出给予正常运作的比较信号，并且在温度检测信号s24大于基准电压vref时，输出给予阻断运作的比较信号。锁存电路54会在从比较电路53处输出给予正常运作的比较信号的期间内，输出用于使mosfet22变为on状态的控制信号si2。另一方面，从比较电路53处一旦输出给予阻断运作的比较信号，则锁存电路54就会输出用于使mosfet22变为off状态的控制信号si2，并保持该状态。

(实施例三的效果)

根据本实施例三的功率模块10b,由于设置有在mosfet21发生短路故障时对其进行检测的感温元件24，因此在发生短路故障时，就能够瞬间阻断mosfet21的电流路。所以，过剩电流就会被阻断，从而能够防止mosfet21温度的急剧上升。

(实施例四)

(实施例四的构成)

图6是展示本发明的实施例四中的功率模块的概略电路图。另外图6中与展示实施例一的图1中共通的要素使用了共通的符号进行表示。

在本实施例四的功率模块10c中，设置有作为用于阻断电流的开关的mosfet25、作为电流检测手段的电阻26、以及用于电流检测的检测端子17，来取代实施例一中功率模块10的mosfet22以及电阻23。mosfet25是一个将用于电流检测的mosfet、感测(sense)mosfet一体化后作为主要用于开关转换的mosfet的元件，并且其具有电流检测用的端子。

该mosfet25的电流检测用端子处连接有检测端子15，该检测端子15与检测端子17之间连接有电阻26。

mosfet25具有：在mosfet21正常运作时处于on状态，从而使流通mosfet21的电流导通，并在mosfet21发生短路故障时处于off状态，从而阻断流通mosfet21的电流的功能。

本实施例四的其他构成，与实施例一相同。

(实施例四的运作)

mosfet25由于是与mosfet21串联，因此对应被作为电阻26两端的电压值检测出的mosfet25的电流相的信号，也同样对应mosfet21的电流值。

本实施例四中的功率模块10c例如是通过与图3中的外置控制电路50相同的控制电路来进行控制。在mosfet21发生短路故障时，该mosfet21的电流就会增加，其结果就是，流通mosfet25的电流也会增加，这样，从检测端子15、17处检测到的检测电压值就会增大。该检测电压值例如被提供至与图3中的控制电路50相同的控制电路。

例如，在与图3中的控制电路50相同的控制电路中，比较电路53将被提供的检测电压值同基准电压vref进行比较。基准电压vref的电压值被设定为能够在：mosfet21正常运作时检测出的检测电压值、与短路故障时检测出的检测电压值之间进行判定。

比较电路53会在检测电压值小于基准电压vref时，输出给予正常运作的比较信号，并且在检测电压值大于基准电压vref时，输出给予阻断运作的比较信号。锁存电路54会在从比较电路53处输出给予正常运作的比较信号的期间内，输出用于使mosfet25变为on状态的控制信号si2。另一方面，从比较电路53处一旦输出给予阻断运作的比较信号，则锁存电路54就会输出用于使mosfet25变为off状态的控制信号si2，并保持该状态。

(实施例四的效果)

根据本实施例四的功率模块10c,由于在mosfet21发生短路故障时，因此在发生短路故障时，会通过电阻26两端的电压值检测出短路故障，因此就能够通过mosfet25，瞬间阻断mosfet21的电流路并阻断过剩的电流，从而能够防止mosfet21温度的急剧上升。

(实施例五)

(实施例五的构成)

图7是展示本发明的实施例五中的功率模块的概略电路图。另外图7中与展示实施例一的图1中共通的要素使用了共通的符号进行表示。

在本实施例五中的功率模块10d中，图3中的外置控制电路50被收容在封装件10a内，因此其构成为控制电路内置的功率模块。被内置在封装件10a内的控制电路50例如由一个芯片或是多个芯片的半导体集成电路(ic)所构成。

本实施例五的其他构成，与实施例一的图3相同。

(实施例五的运作)

本实施例五中的控制电路内置的功率模块10d的运作，与实施例一的图3相同。

(实施例五的效果)

根据本实施例五的功率模块10d，具有与实施例一的图3同样的效果。而且，本实施例五的功率模块10d由于控制电路50被内置在封装件10a内，因此在用于电源电路的情况下，就不需要外置的控制电路，从而能够更容易地适用于各种电路。

(实施例一至五的变形例)

本发明不仅限于上述实施例一至五，可以为各种使用形态和变形。作为其的各种使用形态和变形，例如，可以如以下(a)～(f)般。

(a)功率模块10、10a～10d中内置的功率半导体元件不仅限于mosfet21、22、25，也可以是双极晶体管或igbt等。功率半导体元件的数量也可以是多个。另外，也可以将其他的二极管或电阻、电容等元件内置。

(b)作为电流阻断用的开关，能够使用除mosfet22、25以外的开关元件。

(c)在电阻23、26作为电流检测元件使用的情况下，其插入位置不仅限于实施例一、二、四、五。只要是被串联插入功率半导体元件，并且其两端能够输出电压即可。

(d)作为用于电流检测手段的元件，只要是能够对流通功率半导体元件的电流进行检测的元件即可，例如，也能够使用霍尔元件等。

(e)控制电路50不仅限于图3所示的构成，只要是能够从电流检测信号s15等来判定短路故障并将控制信号si2输出至开关即可。

(f)作为构成，也可以是：在mosfet21发生某种故障时，使作为断流阻断用的开关的mosfet22担当mosfet21的作用。

符号说明

10、10-1、10-2、10a、10b、10c、10d……功率模块

10a……封装件

21、22、25……mosfet

23、26……电阻

24……感温元件

50……控制电路

53……比较电路

54……锁存电路