JP2018148164A - Power semiconductor module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor module incorporating multiple semiconductor elements, and capable of operating even if short circuit fault occurs in some of the semiconductor elements.SOLUTION: A power semiconductor module includes a semiconductor element, and a circuit breaking element connected in series therewith. The circuit breaking element has an insulator, and a metal layer provided thereon, where the metal layer includes a first portion and a second portion connected with external wiring, respectively, and a blowout portion. The first and second portions are provided while spaced apart from each other, and the blowout portion is connected, at both ends thereof, with the first and second portions. In the flow path of a current flowing through the semiconductor element and the circuit breaking element, the profile perpendicular to the current flow direction is smaller in the blowout portion than in the first and second portions.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

実施形態は、複数の半導体チップを内蔵するパワー半導体モジュールに関する。   The embodiment relates to a power semiconductor module including a plurality of semiconductor chips.

コンバータ、インバータ等の電力変換装置は、交通、配送電機器などの産業用途に広く用いられている。これらの電力変換装置の多くは、並列接続された複数の半導体素子を内蔵するパワー半導体モジュールを用いて構成され、各半導体素子の制御ゲートに与えられる信号に応じてオン(導通)とオフ(非導通)とを切り替えるスイッチ動作により電力変換を行う。   Power converters such as converters and inverters are widely used in industrial applications such as traffic and distribution power equipment. Many of these power conversion devices are configured by using a power semiconductor module containing a plurality of semiconductor elements connected in parallel, and are turned on (conducting) and turned off (non-conductive) in accordance with a signal applied to the control gate of each semiconductor element. Power conversion is performed by a switch operation for switching between continuity).

これらの電力変換装置において、例えば、並列接続された半導体素子の一部が、何らかの要因により短絡状態となった場合、パワー半導体モジュールには過大な短絡電流が流れる。そして、このような故障モードに対応するために搭載された保護機能が短絡電流を検知すると、電力変換装置は停止される。これにより、電力変換装置に接続された機器の異常発熱や破損といったリスクを低減することはできる。しかしながら、短絡状態の半導体素子がパワー半導体モジュール内に残っている限り、電力変換装置を再起動させることはできない。すなわち、パワー半導体モジュールは、電力変換装置の運用継続という観点で見た場合、その信頼性に寄与するところが少ない。そこで、半導体素子の一部に短絡故障が発生した場合でも、電力変換装置の運転継続を可能とし、そのシステムの冗長化を実現できるパワー半導体モジュールが求められている。   In these power conversion devices, for example, when some of the semiconductor elements connected in parallel are short-circuited for some reason, an excessive short-circuit current flows through the power semiconductor module. And if the protection function mounted in order to respond | correspond to such a failure mode detects a short circuit current, a power converter device will be stopped. Thereby, the risk of abnormal heat generation or breakage of equipment connected to the power conversion device can be reduced. However, as long as the short-circuited semiconductor element remains in the power semiconductor module, the power conversion device cannot be restarted. That is, the power semiconductor module contributes little to its reliability when viewed from the viewpoint of continuing operation of the power conversion device. Accordingly, there is a need for a power semiconductor module that can continue operation of the power conversion device even when a short-circuit failure occurs in a part of the semiconductor element and can realize redundancy of the system.

特開昭9−70102号公報JP-A-9-70102 特開2011−199940号公報JP 2011-199940 A 特開2013−38864号公報JP 2013-38864 A 特開2014−236530号公報JP 2014-236530 A 特開2015−23709号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-23709

実施形態は、複数の半導体素子を内蔵し、その一部が短絡故障した場合でも動作可能なパワー半導体ジュールを提供する。   The embodiment provides a power semiconductor module that incorporates a plurality of semiconductor elements and that can operate even when some of them are short-circuited.

実施形態に係るパワー半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子に直列接続された回路遮断素子と、を備える。前記回路遮断素子は、絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた金属層と、を有し、前記金属層は、外部配線にそれぞれ接続される第1部分および第2部分と、溶断部と、を含む。前記第1部分および前記第2部分は、相互に離間して設けられ、前記溶断部は、その両端において前記第1部分および前記第2部分に接続される。前記半導体素子および前記回路遮断素子を通過して流れる電流の流路において、前記電流の流れる方向に垂直な断面は、前記溶断部において前記第1部分および前記第2部分よりも小さい。   The power semiconductor module according to the embodiment includes a semiconductor element and a circuit breaker element connected in series to the semiconductor element. The circuit breaker element includes an insulator and a metal layer provided on the insulator. The metal layer includes a first part and a second part connected to an external wiring, and a fusing part. ,including. The first part and the second part are provided to be separated from each other, and the fusing part is connected to the first part and the second part at both ends thereof. In the flow path of the current flowing through the semiconductor element and the circuit breaker element, a cross section perpendicular to the direction in which the current flows is smaller than the first portion and the second portion in the fusing portion.

実施形態に係る電力変換装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the power converter device which concerns on embodiment. 第1実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a power semiconductor module concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係るパワー半導体モジュールの一部を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a part of a power semiconductor module according to a first embodiment. 第1実施形態に係る回路遮断素子を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically the circuit interruption element concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る回路遮断素子の特性を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the characteristic of the circuit interruption element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る回路遮断素子の特性をモデル化した模式図である。It is the schematic diagram which modeled the characteristic of the circuit interruption element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る回路遮断素子を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the circuit interruption element which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る電力変換装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the power converter device which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の別の変形例に係る電力変換装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the power converter device which concerns on another modification of 1st Embodiment. 第2実施形態に係る電力変換装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the power converter device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る電力変換装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the power converter device which concerns on the modification of 2nd Embodiment.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted as appropriate, and different parts will be described. The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.

(第1実施形態)
図1は、実施形態に係る電力変換装置1を示す模式図である。電力変換装置1は、例えば、直流電力を3相交流変換するDC/ACコンバータである。電力変換装置1は、入力端子A、Aに入力される直流電力を3相交流電力に変換し、出力端子B〜Bに接続された交流電動機などの負荷10に供給する。
(First embodiment)
Drawing 1 is a mimetic diagram showing power converter 1 concerning an embodiment. The power converter 1 is, for example, a DC / AC converter that converts DC power into three-phase AC. The power conversion device 1 converts DC power input to the input terminals A 1 and A 2 into three-phase AC power, and supplies it to a load 10 such as an AC motor connected to the output terminals B 1 to B 3 .

図1に示すように、電力変換装置1は、出力端子B〜Bにそれぞれ交流電力を出力する変換相20を含む。変換相20は、入力端子A側および入力端子A側にそれぞれ1つのパワー半導体モジュール30を有する。変換相20に配置された2つのパワー半導体モジュール30を交互にオンオフさせるスイッチング動作により、出力端子B〜Bにそれぞれ交流電力が出力される。そして、電力変換装置1は、各変換相20から出力される交流の位相を相互に120度ずらすことにより、3相交流電力を出力する。 As shown in FIG. 1, the power conversion device 1 includes a conversion phase 20 that outputs AC power to output terminals B 1 to B 3 , respectively. The conversion phase 20 has one power semiconductor module 30 on each of the input terminal A 1 side and the input terminal A 2 side. AC power is output to each of the output terminals B 1 to B 3 by a switching operation for alternately turning on and off the two power semiconductor modules 30 arranged in the conversion phase 20. And the power converter device 1 outputs 3 phase alternating current power by mutually shifting the phase of the alternating current output from each conversion phase 20 120 degree | times.

図2は、出力端子Bに交流電力を出力する変換相20を示す模式図である。同図に示すように、変換相20は、入力端子AおよびAの間において、直列接続された2つのパワー半導体モジュール30を含む。出力端子Bは、2つのパワー半導体モジュール30の間の電位を出力する。各パワー半導体モジュール30は、複数の半導体素子40と、複数の回路遮断素子50と、を含む。複数の半導体素子40は並列接続され、各半導体素子40には、それぞれ1つの回路遮断素子50が直列接続される。モジュール内に配置される半導体素子40および回路遮断素子50の数は、同数である。 Figure 2 is a schematic diagram showing a transformation phase 20 to output the AC power to the output terminal B 1. As shown in the figure, the conversion phase 20 includes two power semiconductor modules 30 connected in series between the input terminals A 1 and A 2 . The output terminal B 1 outputs a potential between the two power semiconductor modules 30. Each power semiconductor module 30 includes a plurality of semiconductor elements 40 and a plurality of circuit interrupting elements 50. The plurality of semiconductor elements 40 are connected in parallel, and one circuit interruption element 50 is connected in series to each semiconductor element 40. The number of semiconductor elements 40 and circuit interruption elements 50 arranged in the module is the same.

例えば、入力端子Aを正極側端子とすれば、回路遮断素子50は、半導体素子40の低電圧側に配置される。以下、本明細書において「配置」とは、各構成要素の空間的配置に限定されず、回路的な配置も意味する。両者の区別は、明細書の説明および関連する図を参酌することにより明らかであろう。 For example, if the input terminal A 1 is a positive terminal, the circuit breaker element 50 is disposed on the low voltage side of the semiconductor element 40. Hereinafter, the “arrangement” in this specification is not limited to the spatial arrangement of each component, but also means a circuit arrangement. The distinction between the two will be apparent by considering the description and the related figures.

半導体素子40は、例えば、パワーMOSトランジスタ、もしくは、IGBT(Insulating gate Bipolar Transistor)である。回路遮断素子50は、例えば、NMOSトランジスタのソース電極側、もしくは、Nチャネル型IGBTのエミッタ電極側に配置される。   The semiconductor element 40 is, for example, a power MOS transistor or an IGBT (Insulating gate Bipolar Transistor). The circuit breaker element 50 is disposed, for example, on the source electrode side of the NMOS transistor or on the emitter electrode side of the N-channel IGBT.

例えば、入力端子A側に配置されたパワー半導体モジュール30において、並列接続された複数の半導体素子40のうちの1つが故障し、ソース・ドレイン間もしくはエミッタ・コレクタ間が短絡した場合、そのパワー半導体モジュール30をオフ状態とする制御信号が入力されたとしても、故障した半導体素子40は、導通状態に保持されてしまう。そして、入力端子A側に配置されたパワー半導体モジュール30がオン状態になると、電流は負荷10側に流れずに変換相20を通過して入力端子AおよびA間に流れる。 For example, in the power semiconductor module 30 arranged on the input terminal A 1 side, when one of a plurality of semiconductor elements 40 connected in parallel fails and the source-drain or emitter-collector is short-circuited, the power Even if a control signal for turning off the semiconductor module 30 is input, the failed semiconductor element 40 is held in a conductive state. When the power semiconductor module 30 arranged on the input terminal A 2 side is turned on, the current flows between the input terminals A 1 and A 2 through the conversion phase 20 without flowing to the load 10 side.

このような短絡電流は、健全なパワー半導体モジュール30では並列接続された半導体素子40に均等に流れるが、故障した半導体素子40を含むパワー半導体モジュール30では、短絡故障した半導体素子40に集中する。この際、故障した半導体素子40に直列接続された回路遮断素子50は、その半導体素子40と、出力端子Bとの間、および、入力端子A側に配置されたパワー半導体モジュール30との間の接続を切り離す。例えば、回路遮断素子50および半導体素子40を流れる電流の経路における金属配線は、回路遮断素子50において他の部分よりも電流密度が高くなる部分を有する。そして、回路遮断素子50は、短絡電流により電流密度が高い部分において溶断され、半導体素子40を回路から分離する。これにより、入力端子AおよびA間に流れる短絡電流を遮断することができる。 Such a short-circuit current flows evenly to the semiconductor elements 40 connected in parallel in the healthy power semiconductor module 30, but in the power semiconductor module 30 including the failed semiconductor element 40, it concentrates on the short-circuited semiconductor element 40. At this time, faulty circuit breaking element 50 connected in series to the semiconductor element 40 is, with its semiconductor element 40, between the output terminal B 1, and, the power semiconductor module 30 that is arranged at the input terminal A 2 side Disconnect the connection between. For example, the metal wiring in the path of the current flowing through the circuit breaker element 50 and the semiconductor element 40 has a part where the current density is higher in the circuit breaker element 50 than in other parts. And the circuit interruption | blocking element 50 is fuse | melted in a part with a high current density by a short circuit current, and isolate | separates the semiconductor element 40 from a circuit. Thus, it is possible to cut off the short-circuit current flowing between the input terminals A 1 and A 2.

また、入力端子A側に配置されたパワー半導体モジュール30において、半導体素子40のうちの1つが短絡故障した場合には、その半導体素子40と入力端子Aとの間の電流経路が、回路遮断素子50により切り離され、入力端子AおよびA間に流れる短絡電流が遮断される。 Further, in the power semiconductor module 30 arranged on the input terminal A 2 side, when one of the semiconductor elements 40 is short-circuited, a current path between the semiconductor element 40 and the input terminal A 2 is a circuit. The short-circuit current that is disconnected between the input terminals A 1 and A 2 is cut off by the cut-off element 50.

このように、パワー半導体モジュール30では、並列接続された複数の半導体素子40の一部が短絡故障したとしても、回路遮断素子50により故障した半導体素子40を回路から分離し、それ以外の正常な半導体素子40によりスイッチング動作を継続することができる。そして、電力変換装置1は、故障した半導体素子40を含むパワー半導体モジュール30の出力の低下が許容範囲内であれば、停止することなく動作を継続することができる。   As described above, in the power semiconductor module 30, even if a part of the plurality of semiconductor elements 40 connected in parallel is short-circuited, the semiconductor element 40 that has failed is separated from the circuit by the circuit interrupting element 50, and the other normal Switching operation can be continued by the semiconductor element 40. And the power converter device 1 can continue operation | movement, without stopping, if the fall of the output of the power semiconductor module 30 containing the failed semiconductor element 40 is in a tolerance | permissible_range.

図3は、パワー半導体モジュール30の一部を模式的に示す斜視図である。パワー半導体モジュール30は、例えば、実装基板(図示しない)と、その上に設けられた銅パターン31および33と、をさらに備える。銅パターン31は、例えば、正極側の入力端子Aに接続されており、半導体素子40は、銅パターン31の上に並べて配置される。銅パターン33は、例えば、出力端子Bに接続され、回路遮断素子50は、銅パターン33の上に並べて配置される。半導体素子40および回路遮断素子50は、例えば、ハンダなどの接合材により銅パターン31および33にそれぞれマウントされる。 FIG. 3 is a perspective view schematically showing a part of the power semiconductor module 30. The power semiconductor module 30 further includes, for example, a mounting substrate (not shown) and copper patterns 31 and 33 provided thereon. For example, the copper pattern 31 is connected to the input terminal A 1 on the positive electrode side, and the semiconductor elements 40 are arranged side by side on the copper pattern 31. The copper pattern 33 is connected to, for example, the output terminal B 1 , and the circuit breaker element 50 is arranged side by side on the copper pattern 33. The semiconductor element 40 and the circuit interruption element 50 are mounted on the copper patterns 31 and 33, for example, by a bonding material such as solder.

半導体素子40は、例えば、IGBTであり、その表面にエミッタ電極41とゲートパッド43とを有する。裏面側のコレクタ電極は、例えば、ハンダを介して銅パターン31に接続される。回路遮断素子50は、絶縁体50aと、その表面に設けられた金属層50bと、を有する。絶縁体50aは、例えば、ガラスもしくはアルミナなどのセラミック基板、であり、金属層50bを銅パターン33から電気的に絶縁する。金属層50bは、例えば、銅、銅合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を含む。   The semiconductor element 40 is, for example, an IGBT, and has an emitter electrode 41 and a gate pad 43 on the surface thereof. The collector electrode on the back side is connected to the copper pattern 31 via, for example, solder. The circuit breaker element 50 includes an insulator 50a and a metal layer 50b provided on the surface thereof. The insulator 50 a is, for example, a ceramic substrate such as glass or alumina, and electrically insulates the metal layer 50 b from the copper pattern 33. The metal layer 50b includes, for example, copper, a copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy.

図3に示すように、金属層50bは、例えば、金属ワイヤ35を介して半導体素子40のエミッタ電極41に接続される。また、金属層50bは、例えば、金属ワイヤ37を介して銅パターン33に接続される。   As shown in FIG. 3, the metal layer 50 b is connected to the emitter electrode 41 of the semiconductor element 40 via, for example, a metal wire 35. Further, the metal layer 50 b is connected to the copper pattern 33 via, for example, a metal wire 37.

図4は、回路遮断素子50を模式的に示す斜視図である。絶縁体50aの表面に設けられた金属層50bは、第1部分53、第2部分55および溶断部57を有する。例えば、第1部分53は、半導体素子40に金属ワイヤ35を介して直列接続される。第2部分55は、第1部分53から離間して設けられ、金属ワイヤ37を介して銅パターン33に接続される。溶断部57は、第1部分53と第2部分55との間に設けられ、その両端は、第1部分53および第2部分55にそれぞれ接続される。   FIG. 4 is a perspective view schematically showing the circuit breaker element 50. The metal layer 50 b provided on the surface of the insulator 50 a has a first part 53, a second part 55, and a fusing part 57. For example, the first portion 53 is connected in series to the semiconductor element 40 via the metal wire 35. The second portion 55 is provided apart from the first portion 53 and is connected to the copper pattern 33 via the metal wire 37. The fusing part 57 is provided between the first part 53 and the second part 55, and both ends thereof are connected to the first part 53 and the second part 55, respectively.

溶断部57は、第1部分53および第2部分55よりも電流密度が高くなるように設けられる。すなわち、半導体素子40および回路遮断素子50を流れる電流の流路は、電流の流れる方向に垂直な断面が、溶断部57において第1部分53および第2部分55よりも小さくなるように設けられる。   The fusing part 57 is provided so that the current density is higher than that of the first part 53 and the second part 55. That is, the flow path of the current flowing through the semiconductor element 40 and the circuit breaker element 50 is provided such that a cross section perpendicular to the direction in which the current flows is smaller than the first portion 53 and the second portion 55 in the fusing portion 57.

図4に示すように、溶断部57は、例えば、第1部分53から第2部分55へ向かう方向に延びるバー状に設けられる。溶断部57は、例えば、第1部分53から第2部分55へ流れる電流Iの方向に直交する断面において断面積Sを有する。また、溶断部57は、電流Iの方向に沿った長さLを有する。 As shown in FIG. 4, the fusing part 57 is provided in a bar shape extending in a direction from the first part 53 toward the second part 55, for example. The fusing part 57 has a cross-sectional area S in a cross section orthogonal to the direction of the current ID flowing from the first part 53 to the second part 55, for example. In addition, fusing part 57 has a length L along the direction of current ID .

図5は、回路遮断素子50の特性を示す模式図である。例えば、時間t=0において、半導体素子40が短絡故障し、その定格を超える短絡電流が直列接続された回路遮断素子50に流れる場合の溶断部57の電流、発熱量および温度の時間変化を表している。   FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the characteristics of the circuit breaker element 50. For example, at time t = 0, the semiconductor element 40 is short-circuited, and the current, the amount of heat generation, and the temperature of the fusing part 57 when the short-circuit current exceeding the rated value flows through the circuit-breaking element 50 connected in series are represented with time. ing.

図5に示すように、溶断部57の電流および発熱量は時間と共に増加する。その後、溶断部57の発熱による温度上昇につれて、その抵抗値が大きくなり、電流が減少に転じ、発熱量も減少する。これに対し、溶断部57の温度は、室温Tから単調に上昇する。そして、溶断部57の温度がその融点Tmに達した時、溶断部57が溶融され、第1部分53と第2部分55との間の電流経路が遮断される。 As shown in FIG. 5, the current and the amount of heat generated by the fusing part 57 increase with time. Thereafter, as the temperature rises due to heat generation in the fusing part 57, the resistance value increases, the current starts to decrease, and the heat generation amount also decreases. In contrast, the temperature of the fusing unit 57 monotonically increases from room temperature T R. And when the temperature of the fusing part 57 reaches its melting point Tm, the fusing part 57 is melted, and the current path between the first part 53 and the second part 55 is interrupted.

半導体パワーモジュール30は、例えば、その定格電流の10倍を超える短絡電流が流れ始めてから時間trが経過した時点において保護回路を動作させ、その動作を停止するように設計される。したがって、溶断部57の温度が、その融点Tmに達する時間をtsとすれば、溶断部57は、ts<trとなるように設けられることが好ましい。これにより、保護回路が動作する前に故障した半導体素子40を回路から分離し、パワー半導体モジュール30の動作を継続させることができる。半導体パワーモジュール30の定格電流は、例えば、(半導体素子40の最大許容電流)×(半導体素子40の並列数)に設定される。ここで、最大許容電流とは、例えば、半導体素子40に連続的に流すことが可能な最大電流を意味する。   The semiconductor power module 30 is designed, for example, to operate the protection circuit and stop the operation when the time tr elapses after a short-circuit current exceeding 10 times its rated current starts to flow. Therefore, if the time when the temperature of the fusing part 57 reaches the melting point Tm is ts, the fusing part 57 is preferably provided so that ts <tr. Thereby, the semiconductor element 40 that has failed before the protection circuit operates can be separated from the circuit, and the operation of the power semiconductor module 30 can be continued. The rated current of the semiconductor power module 30 is set to, for example, (maximum allowable current of the semiconductor element 40) × (number of parallel semiconductor elements 40). Here, the maximum allowable current means, for example, the maximum current that can be continuously passed through the semiconductor element 40.

例えば、半導体素子40は、最大許容電流の10倍の電流が流れると熱暴走などにより正常に動作しなくなるおそれがある。そこで、保護回路は、最大許容電流が流れ始めてから、動作不良が生じるまでの時間tr内において、半導体パワーモジュール30を停止させるように設計される。半導体素子40がシリコンを材料とする場合、時間trは、例えば、10μ秒程度となるように設計される。半導体素子40が炭化シリコン(SiC)を材料とする場合には、時間trは、例えば、5μ秒程度となるように設計される。   For example, the semiconductor element 40 may not operate normally due to thermal runaway when a current 10 times the maximum allowable current flows. Therefore, the protection circuit is designed to stop the semiconductor power module 30 within a time tr from when the maximum allowable current starts to flow until an operation failure occurs. When the semiconductor element 40 is made of silicon, the time tr is designed to be about 10 μsec, for example. When the semiconductor element 40 is made of silicon carbide (SiC), the time tr is designed to be about 5 μs, for example.

図6は、回路遮断素子50のモデル化された特性を示す模式図である。溶断部57の電流iおよび発熱量Qは、時間t=0においてステップ状に発生し、時間tに対して一定とする。この場合、溶断部57の抵抗は、所定の温度の値を用い、温度温度Tに依存せず一定とする。例えば、銅を材料とする場合、T=1000℃の抵抗値を用いる。結果として、溶断部57の温度変化量ΔT(=T−T)は、次式(1)を用いて算出され、時間tに対して室温Tからリニアに増加する。

ここで、Q(=Q×t)は累積発熱量、Cは熱容量、rは比抵抗、ρは密度、cは比熱である。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the modeled characteristics of the circuit breaker element 50. The current i and the heat generation amount Q of the fusing part 57 are generated in a step shape at time t = 0, and are constant with respect to the time t. In this case, the resistance of the fusing part 57 uses a predetermined temperature value and is constant regardless of the temperature T. For example, when copper is used as a material, a resistance value of T = 1000 ° C. is used. As a result, the temperature change amount ΔT of the fusing unit 57 (= T-T R) is calculated using the following equation (1), increases from room temperature T R linearly with time t.

Here, Q T (= Q × t) is the cumulative calorific value, C is the heat capacity, r is the specific resistance, ρ is the density, and c is the specific heat.

式(1)に示すように、溶断部57の温度変化量ΔTは、電流iおよび時間tを変数とする関数として表され、材料の比抵抗r、密度ρ、比熱cおよび断面積Sに依存する。ここで、溶断部57の長さLは、式中でキャンセルされる。したがって、理想的には、溶断部57を構成する材料を指定すれば、断面積Sが温度上昇のパラメータとなることが分かる。また、溶断部57の断面積が電流の流れる方向に変化する場合は、図4に示すような直方体に近似した場合の断面積Sを用いる。   As shown in Expression (1), the temperature change amount ΔT of the fusing part 57 is expressed as a function having the current i and the time t as variables, and depends on the specific resistance r, density ρ, specific heat c, and cross-sectional area S of the material. To do. Here, the length L of the fusing part 57 is canceled in the equation. Therefore, ideally, it can be understood that the cross-sectional area S becomes a parameter for increasing the temperature if the material constituting the fusing part 57 is designated. Moreover, when the cross-sectional area of the fusing part 57 changes in the direction in which the current flows, the cross-sectional area S when approximating a rectangular parallelepiped as shown in FIG. 4 is used.

さらに、単位電流あたりの断面積(S/i)は、次式(2)で表される。

ここで、t=tr、ΔT=Tm−Tとして、溶断部57の断面積Sの上限を求めることができる。
Furthermore, the cross-sectional area (S / i) per unit current is expressed by the following equation (2).

Here, t = tr, as ΔT = Tm-T R, can be determined the upper limit of the cross-sectional area S of the fusion portion 57.

(実施例1)
例えば、半導体素子40がシリコンを材料とするパワー半導体素子であり、溶断部57の材料が銅もしくは銅合金である場合、tr=10μ秒、Tm=1085℃、TR=25℃として計算すると、単位電流あたりの断面積Sは、14×10−6mm/Aとなる。すなわち、1Aの電流が断面積14×10−6mmを有する溶断部57を流れた場合、その温度は、短絡電流が流れ始めてから10μ秒で、銅の融点1085℃に達する。したがって、断面積Sを短絡電流×14×10−6mm以下とすることにより、溶断部57は、短絡電流の流れ始めから10μ秒以内で溶断されるように形成することができる。
Example 1
For example, in the case where the semiconductor element 40 is a power semiconductor element made of silicon and the material of the fusing part 57 is copper or a copper alloy, the unit is calculated as tr = 10 μsec, Tm = 1085 ° C., TR = 25 ° C. The cross-sectional area S per current is 14 × 10 −6 mm 2 / A. That is, when a current of 1 A flows through the fusing part 57 having a cross-sectional area of 14 × 10 −6 mm 2 , the temperature reaches a melting point of 1085 ° C. in 10 μs after the short-circuit current starts to flow. Therefore, by setting the cross-sectional area S to a short-circuit current × 14 × 10 −6 mm 2 or less, the fusing part 57 can be formed so as to be blown within 10 μsec from the start of the short-circuit current flow.

例えば、最大許容電流30Aの半導体素子40を8個並列接続したパワー半導体モジュール30の定格電流は、240Aである。そして、定格電流の10倍である2400Aの電流が流れ始めてから時間trが経過した時、パワー半導体モジュール30は、その動作を停止する。この場合、半導体素子40のそれぞれにおいて最大許容電流の10倍の電流が流れたとしても、溶断部57が溶断されないためには、断面積Sは、14×10−6(mm/A)×300(A)=42×10−4(mm)以上であれば良い。一方、故障した半導体素子40に集中して流れる短絡電流は、2400Aであり、これに対応する断面積Sは、14×10−6(mm/A)×2400(A)=33.6×10−3(mm)となる。したがって、断面積Sは、42×10−4mm以上、33.6×10−3mm以下であれば良い。ここで、金属層50bの厚さを0.1mmとすれば、溶断部57の幅を0.042mm以上、0.336mm以下とすれば良い。 For example, the rated current of the power semiconductor module 30 in which eight semiconductor elements 40 having the maximum allowable current 30A are connected in parallel is 240A. When the time tr elapses after the current of 2400 A, which is 10 times the rated current, starts to flow, the power semiconductor module 30 stops its operation. In this case, even if a current 10 times as large as the maximum allowable current flows in each of the semiconductor elements 40, the cross-sectional area S is 14 × 10 −6 (mm 2 / A) × so that the fusing portion 57 is not blown. It may be 300 (A) = 42 × 10 −4 (mm 2 ) or more. On the other hand, the short-circuit current that flows intensively in the failed semiconductor element 40 is 2400 A, and the corresponding cross-sectional area S is 14 × 10 −6 (mm 2 / A) × 2400 (A) = 33.6 ×. 10 −3 (mm 2 ). Accordingly, the cross-sectional area S may be 42 × 10 −4 mm 2 or more and 33.6 × 10 −3 mm 2 or less. Here, if the thickness of the metal layer 50b is 0.1 mm, the width of the fusing part 57 may be 0.042 mm or more and 0.336 mm or less.

(実施例2)
例えば、半導体素子40がシリコンを材料とするパワー半導体素子であり、溶断部57の材料がアルミニウムもしくはアルミニウム合金である場合、溶断部57の断面積Sの上限は、tr=10μ秒、Tm=660℃、T=25℃として計算する。その結果、断面積Sの上限は、短絡電流×26×10−6mmとなる。これ以下の断面積Sを有する溶断部57は、短絡電流の発生から10μ秒以内でアルミの融点である660℃に達し、溶断される。短絡電流は、例えば、パワー半導体モジュール30の定格電流の10倍に設定する。
(Example 2)
For example, when the semiconductor element 40 is a power semiconductor element made of silicon and the material of the fusing part 57 is aluminum or an aluminum alloy, the upper limit of the cross-sectional area S of the fusing part 57 is tr = 10 μsec, Tm = 660. Calculated as ° C, T R = 25 ° C. As a result, the upper limit of the cross-sectional area S is short-circuit current × 26 × 10 −6 mm 2 . The fusing part 57 having a cross-sectional area S equal to or smaller than this reaches 660 ° C., which is the melting point of aluminum, within 10 μsec from the occurrence of the short-circuit current, and is cut off. For example, the short-circuit current is set to 10 times the rated current of the power semiconductor module 30.

金属層50bの材料としてアルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いることにより、銅もしくは銅合金よりも低い温度で溶融させることが可能である。これにより、溶断部57が溶断される際のパワー半導体モジュール30の温度を抑制することが可能であり、周囲に配置された機器への影響が低減され、さらに、モジュール内に充填される絶縁封止材の変質を抑制することもできる。   By using aluminum or an aluminum alloy as the material of the metal layer 50b, it can be melted at a temperature lower than that of copper or a copper alloy. As a result, the temperature of the power semiconductor module 30 when the fusing part 57 is blown can be suppressed, the influence on the devices arranged around the device can be reduced, and the insulating seal filled in the module can be reduced. It is also possible to suppress deterioration of the stopping material.

(実施例3)
例えば、半導体素子40が炭化シリコン(SiC)を材料とするパワー半導体素子の場合、tr=5μ秒として、溶断部57の断面積Sの上限を算出する。例えば、溶断部57の材料が銅もしくは銅合金の場合、断面積Sは、10×10−6mm/A以下となる。また、溶断部57の材料がアルミニウムもしくはアルミニウム合金の場合、断面積Sは、短絡電流×18×10−6mm以下となる。
(Example 3)
For example, when the semiconductor element 40 is a power semiconductor element made of silicon carbide (SiC), the upper limit of the cross-sectional area S of the fusing part 57 is calculated with tr = 5 μsec. For example, when the material of the fusing part 57 is copper or a copper alloy, the cross-sectional area S is 10 × 10 −6 mm 2 / A or less. Moreover, when the material of the fusing part 57 is aluminum or an aluminum alloy, the cross-sectional area S becomes a short circuit current × 18 × 10 −6 mm 2 or less.

図7は、実施形態の変形例に係る回路遮断素子60を模式的に示す斜視図である。回路遮断素子60は、絶縁体60aと、その表面上に設けられた金属層60bと、を含む。絶縁体60aは、例えば、ガラスもしくはアルミナなどのセラミック基板であり、金属層60bは、例えば、銅、銅合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を含む。   FIG. 7 is a perspective view schematically showing a circuit breaker element 60 according to a modification of the embodiment. Circuit breaker element 60 includes an insulator 60a and a metal layer 60b provided on the surface thereof. The insulator 60a is, for example, a ceramic substrate such as glass or alumina, and the metal layer 60b includes, for example, copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy.

金属層60bは、第1部分63、第2部分65および溶断部67a〜67cを有する。第1部分63と第2部分65は、相互に離間して設けられる。溶断部67a〜67cは、第1部分63と第2部分65との間に設けられ、それぞれの両端は、第1部分63および第2部分65にそれぞれ接続される。この例では、3つの溶断部67a〜67cが配置されるが、実施形態はこれに限定される訳ではない。例えば、第1部分63と第2部分65との間に4つ以上の溶断部が配置されても良い。   The metal layer 60b has a first portion 63, a second portion 65, and fusing portions 67a to 67c. The first portion 63 and the second portion 65 are provided to be separated from each other. The fusing parts 67a to 67c are provided between the first part 63 and the second part 65, and both ends thereof are connected to the first part 63 and the second part 65, respectively. In this example, three fusing parts 67a to 67c are arranged, but the embodiment is not limited to this. For example, four or more fusing parts may be disposed between the first part 63 and the second part 65.

溶断部67a〜67cにおいて、第1部分63から第2部分65へ流れる電流Iの方向に直交するそれぞれの断面は、断面積S1〜S3を有する。そして、溶断部67a〜67cは、断面積S1〜S3の総和が式(2)を用いて計算される断面積Sの値以下となるように形成される。例えば、半導体素子40がシリコンを材料とするパワー半導体素子であり、金属層60bの材料が銅もしくは銅合金である場合、単位電流あたりの断面積S1〜S3の総和は、短絡電流×14×10−6(mm)以下である。実施例2、3に示す材料の場合においても、断面積S1〜S3の総和は、それぞれに示す上限値以下である。 In the fusing parts 67a to 67c, each cross section orthogonal to the direction of the current ID flowing from the first part 63 to the second part 65 has a cross-sectional area S1 to S3. The fusing parts 67a to 67c are formed such that the sum of the cross-sectional areas S1 to S3 is equal to or less than the value of the cross-sectional area S calculated using the equation (2). For example, when the semiconductor element 40 is a power semiconductor element made of silicon and the material of the metal layer 60b is copper or a copper alloy, the sum of the cross-sectional areas S1 to S3 per unit current is short circuit current × 14 × 10. It is -6 (mm < 2 > ) or less. Also in the case of the material shown in Example 2, 3, the sum total of cross-sectional area S1-S3 is below the upper limit shown in each.

回路遮断素子60では、例えば、溶断部67a〜67bのいずれか1つが溶断されると、他の2つに流れる短絡電流が大きくなり、逐次溶断されてゆく。したがって、回路遮断素子60では、第1部分63と第2部分65との間の電流経路の遮断をより確実に実施することが可能であり、パワー半導体モジュール30の信頼性を向上させることができる。   In the circuit interruption element 60, for example, when any one of the fusing parts 67a to 67b is blown, a short-circuit current flowing through the other two becomes large, and the fusing parts are sequentially blown. Therefore, in the circuit breaker element 60, the current path between the first portion 63 and the second portion 65 can be more reliably cut off, and the reliability of the power semiconductor module 30 can be improved. .

図8は、第1実施形態の変形例に係る電力変換装置2を示す模式図である。図8には、2つのパワー半導体モジュール70を含む変換相20が示されている。パワー半導体モジュール70は、並列接続された半導体素子40と、各半導体素子40に直列に接続された回路遮断素子50と、を含む。また、回路遮断素子50に代えて回路遮断素子60を配置しても良い。   FIG. 8 is a schematic diagram showing a power conversion device 2 according to a modification of the first embodiment. FIG. 8 shows the conversion phase 20 including two power semiconductor modules 70. The power semiconductor module 70 includes a semiconductor element 40 connected in parallel and a circuit breaker element 50 connected in series to each semiconductor element 40. Further, a circuit breaker element 60 may be arranged in place of the circuit breaker element 50.

例えば、入力端子Aを正極端子、入力端子Aを負極端子とすれば、回路遮断素子50は、半導体素子40の高電圧側に配置される。すなわち、半導体素子40がNMOSトランジスタであれば、回路遮断素子50は、ドレイン電極側に配置される。また、半導体素子40がNチャネル型IGBTであれば、回路遮断素子50は、コレクタ電極側に配置される。 For example, if the input terminal A 1 is a positive terminal and the input terminal A 2 is a negative terminal, the circuit breaker element 50 is disposed on the high voltage side of the semiconductor element 40. That is, if the semiconductor element 40 is an NMOS transistor, the circuit interruption element 50 is disposed on the drain electrode side. If the semiconductor element 40 is an N-channel IGBT, the circuit breaker element 50 is disposed on the collector electrode side.

このように、回路遮断素子50は、それに直列接続された半導体素子40を回路から分離すれば良く、半導体素子40の高電圧側もしくは低電圧側のいずれにも配置可能である。このため、モジュール内の限られたスペースに有利に配置することが可能であり、モジュールの小型化に寄与する。   As described above, the circuit breaker element 50 may be arranged on either the high voltage side or the low voltage side of the semiconductor element 40 by separating the semiconductor element 40 connected in series to the circuit from the circuit. For this reason, it can be advantageously arranged in a limited space in the module, which contributes to miniaturization of the module.

図9は、第1実施形態の別の変形例に係る電力変換装置3を示す模式図である。図9には、2つのパワー半導体モジュール80を含む変換相20が示されている。パワー半導体モジュール80は、並列接続された半導体素子40と、各半導体素子40に直列に接続された回路遮断素子50および50と、を含む。 FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a power conversion device 3 according to another modification of the first embodiment. FIG. 9 shows the conversion phase 20 including two power semiconductor modules 80. The power semiconductor module 80 includes semiconductor elements 40 connected in parallel, and circuit interruption elements 50 H and 50 L connected in series to each semiconductor element 40.

図9に示すように、1つの半導体素子40に対し2つの回路遮断素子50および50が配置される。回路遮断素子50および50は、半導体素子40の高電圧側および低電圧側にそれぞれ配置される。モジュール内に配置される回路遮断素子50および50の総数は、半導体素子40の2倍である。回路遮断素子50および50は、例えば、回路遮断素子50もしくは60と同じ構成を有する。 As shown in FIG. 9, two circuit breaker elements 50 H and 50 L are arranged for one semiconductor element 40. The circuit interruption elements 50 H and 50 L are arranged on the high voltage side and the low voltage side of the semiconductor element 40, respectively. The total number of circuit breaker elements 50 H and 50 L arranged in the module is twice that of the semiconductor element 40. The circuit interruption elements 50 H and 50 L have the same configuration as the circuit interruption element 50 or 60, for example.

この例では、回路遮断素子50および50の両方においてその金属層が溶断され、半導体素子40は、高電圧側および低電圧側の両方において回路から分離される。例えば、回路遮断素子50および50の一方において電流経路が切断された時、他方を介して半導体素子40の内部に保持された電気エネルギーが放出される。これにより生じる電流により、回路遮断素子50および50の他方においても溶断部57の溶融が生じ、故障した半導体素子40は、回路から完全に分離される。この結果、半導体素子40に接続された別の回路、例えば、ゲート制御回路(図示しない)などを保護することができる。 In this example, the metal layer is blown in both circuit breaker elements 50 H and 50 L , and semiconductor element 40 is isolated from the circuit on both the high voltage side and the low voltage side. For example, when the current path is cut off in one of the circuit breaker elements 50 H and 50 L , the electric energy held inside the semiconductor element 40 is released through the other. The current generated thereby melts the fusing part 57 in the other of the circuit breaker elements 50 H and 50 L , and the failed semiconductor element 40 is completely separated from the circuit. As a result, another circuit connected to the semiconductor element 40, for example, a gate control circuit (not shown) can be protected.

上記の通り、本実施形態では、能動領域を含まない単純な構成の回路遮断素子50もしくは60を用いて、短絡故障を起こした半導体素子40を回路から分離することができる。これにより、短絡故障した半導体素子40を含むパワー半導体モジュール30、70および80において、スイッチング動作を継続することが可能となる。その結果、これらのパワー半導体モジュールで構成される電力変換システムの冗長度を向上させることができる。すなわち、各パワー半導体モジュールを内蔵する電力変換装置1、2および3の信頼性を運用継続の観点からも向上させることができる。   As described above, in this embodiment, the semiconductor element 40 that has caused the short-circuit fault can be separated from the circuit by using the circuit breaker element 50 or 60 having a simple configuration that does not include the active region. As a result, the switching operation can be continued in the power semiconductor modules 30, 70 and 80 including the semiconductor element 40 in which the short circuit failure has occurred. As a result, the redundancy of the power conversion system composed of these power semiconductor modules can be improved. That is, it is possible to improve the reliability of the power conversion devices 1, 2, and 3 incorporating each power semiconductor module from the viewpoint of continued operation.

なお、回路遮断素子50および60の代わりに、例えば、既存の限流ヒューズもしくは自動車用ヒューズなどを用いる構成も考えられるかもしれない。これらは、信頼性の向上が強く望まれている車載や交通システムなど、産業用電力変換装置の定格電圧に適合する。しかしながら、既存のヒューズは、モジュール内に配置するにはサイズが大きすぎる。また、モジュール外に配置して配線により半導体素子に接続する構成を採ると、寄生インダクタンスが大きくなりパワー半導体モジュールのスイッチング速度が制限される。したがって、これらの既存のヒューズを用いることは、現実的ではない。これに対し、本実施形態に係る回路遮断素子50および60は、例えば、スパッタリングなどの金属膜の形成方法およびフォトリソグラフィなど半導体プロセスを用いて製造することが可能であり、そのサイズを小型化できる。そして、回路遮断素子50および60は、パワー半導体モジュール内の実装基板上もしくは空きスペースに配置することが可能である。   Instead of the circuit breaker elements 50 and 60, for example, a configuration using an existing current limiting fuse or an automotive fuse may be considered. These are adapted to the rated voltage of industrial power converters such as in-vehicle and traffic systems where improvement in reliability is strongly desired. However, existing fuses are too large to be placed in the module. Further, when a configuration is adopted in which the semiconductor element is arranged outside the module and connected to the semiconductor element by wiring, the parasitic inductance increases and the switching speed of the power semiconductor module is limited. Therefore, using these existing fuses is not practical. On the other hand, the circuit breaker elements 50 and 60 according to the present embodiment can be manufactured using a metal film forming method such as sputtering and a semiconductor process such as photolithography, and the size can be reduced. . And the circuit interruption | blocking elements 50 and 60 can be arrange | positioned on the mounting board | substrate in a power semiconductor module, or an empty space.

また、既存のヒューズでは、溶断後のアークの持続を抑えるため消弧材を配置する必要がある。これに対し、回路遮断素子60では、複数の溶断部67a〜67cを配置することにより、それぞれに流れる電流を低減し、アークを抑制することが可能である。これにより、消弧材を減量すること、もしくは、無くすことも可能である。   Moreover, in the existing fuse, it is necessary to arrange an arc extinguishing material in order to suppress the persistence of the arc after fusing. On the other hand, in the circuit interruption element 60, it is possible to reduce the electric current which flows through each by arrange | positioning the several fusing part 67a-67c, and to suppress an arc. Thereby, it is possible to reduce or eliminate the arc extinguishing material.

(第2実施形態)
図10は、第2実施形態に係る電力変換装置4を示す模式図である。図10には、2つのパワー半導体モジュール90を含む変換相20が示されている。パワー半導体モジュール90は、半導体素子40a、40bおよび回路遮断素子50を含む。
(Second embodiment)
FIG. 10 is a schematic diagram showing the power conversion device 4 according to the second embodiment. FIG. 10 shows a conversion phase 20 including two power semiconductor modules 90. The power semiconductor module 90 includes semiconductor elements 40 a and 40 b and a circuit interruption element 50.

図10に示すように、回路遮断素子50は、並列接続された半導体素子40aと半導体素子40bに対し直列に接続される。すなわち、半導体素子40aおよび40bのうちの1つが短絡故障を起こし、パワー半導体モジュール90に短絡電流が流れた時、回路遮断素子50は、2つの半導体素子40aおよび40bを回路から分離する。これにより、パワー半導体モジュール90は、スイッチング動作を継続することができる。そして、電力変換装置4は、パワー半導体モジュール90の出力低下が許容範囲内であれば、その動作を継続できる。   As shown in FIG. 10, the circuit breaker element 50 is connected in series to the semiconductor elements 40a and 40b connected in parallel. That is, when one of the semiconductor elements 40a and 40b causes a short circuit failure and a short circuit current flows through the power semiconductor module 90, the circuit breaker element 50 separates the two semiconductor elements 40a and 40b from the circuit. Thereby, the power semiconductor module 90 can continue the switching operation. And the power converter device 4 can continue the operation | movement, if the output fall of the power semiconductor module 90 is in a tolerance | permissible_range.

パワー半導体モジュール90内に配置される回路遮断素子50の個数は、半導体素子40aおよび40bの総数の2分の1である。例えば、モジュールのサイズに対して、その内部に配置される半導体素子40aおよび40bの総数が多い場合には、このような構成が有効である。すなわち、回路遮断素子50の数を減らすことにより、パワー半導体モジュール90を小型化し、その製造コストを削減することもできる。   The number of circuit breaker elements 50 arranged in the power semiconductor module 90 is one half of the total number of semiconductor elements 40a and 40b. For example, such a configuration is effective when the total number of semiconductor elements 40a and 40b disposed inside the module is large relative to the size of the module. That is, by reducing the number of circuit breaker elements 50, the power semiconductor module 90 can be downsized and its manufacturing cost can be reduced.

なお、回路遮断素子50に直列接続される半導体素子40の数は、3つ以上であっても良い。すなわち、1つの回路遮断素子50により複数の半導体素子40が回路から分離された時、パワー半導体モジュール90の出力低下が許容範囲内に収まれば良い。また、この例において、通常時に1つの回路遮断素子50を流れる電流は、それに直列接続された半導体素子40の個数倍となるため、溶断部57の断面積Sの下限は、1つの半導体素子40に1つの回路遮断素子50が接続される場合の断面積Sを直列に接続された半導体素子40の個数倍した値とする。一方、溶断部57の断面積Sの上限は、1つの半導体素子40に1つの回路遮断素子50が接続される場合の断面積Sと同じである。   Note that the number of semiconductor elements 40 connected in series to the circuit breaker element 50 may be three or more. That is, when the plurality of semiconductor elements 40 are separated from the circuit by the single circuit breaker element 50, it is sufficient that the output drop of the power semiconductor module 90 is within an allowable range. In this example, since the current flowing through one circuit breaker element 50 in the normal state is the number of semiconductor elements 40 connected in series to the circuit breaker element 50, the lower limit of the cross-sectional area S of the fusing part 57 is one semiconductor element 40. The cross-sectional area S when one circuit breaker element 50 is connected to is multiplied by the number of semiconductor elements 40 connected in series. On the other hand, the upper limit of the cross-sectional area S of the fusing part 57 is the same as the cross-sectional area S when one circuit breaker element 50 is connected to one semiconductor element 40.

図11は、第2実施形態の変形例に係る電力変換装置5を示す模式図である。図11には、2つのパワー半導体モジュール95を含む変換相20が示されている。パワー半導体モジュール95は、半導体素子40a、40bおよび回路遮断素子50、50を含む。 FIG. 11 is a schematic diagram showing a power conversion device 5 according to a modification of the second embodiment. FIG. 11 shows a conversion phase 20 including two power semiconductor modules 95. The power semiconductor module 95 includes a semiconductor element 40a, 40b and the circuit breaking element 50 H, 50 L.

図11に示すように、回路遮断素子50および50は、並列接続された半導体素子40aと半導体素子40bに対しそれぞれ直列に接続される。回路遮断素子50は、半導体素子40aおよび40bの高電圧側に配置され、回路遮断素子50は、半導体素子40aおよび40bの低電圧側に配置される。すなわち、半導体素子40aおよび40bのうちの1つが短絡故障を起こし、パワー半導体モジュール90に短絡電流が流れた時、回路遮断素子50および50は、2つの半導体素子40aおよび40bを回路から完全に分離する。これにより、パワー半導体モジュール90は、スイッチング動作を継続することができる。そして、パワー半導体モジュール90内において、半導体素子40aおよび41bに接続された図示しない別の回路を保護することができる。 As shown in FIG. 11, the circuit breaking element 50 H and 50 L are respectively connected in series with the parallel connected semiconductor elements 40a and the semiconductor element 40b. Circuit breaking element 50 H is arranged on the high voltage side of the semiconductor elements 40a and 40b, the circuit breaking element 50 L is disposed on the low voltage side of the semiconductor elements 40a and 40b. I.e., one of the semiconductor elements 40a and 40b is caused a short circuit fault, when the short-circuit current flows to the power semiconductor module 90, the circuit breaking element 50 H and 50 L are completely two semiconductor elements 40a and 40b from the circuit To separate. Thereby, the power semiconductor module 90 can continue the switching operation. In the power semiconductor module 90, another circuit (not shown) connected to the semiconductor elements 40a and 41b can be protected.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1〜5…電力変換装置、 10…負荷、 20…変換相、 30、70、80、90、95…パワー半導体モジュール、 31、33…銅パターン、 35、37…金属ワイヤ、 40、40a、40b…半導体素子、 41…エミッタ電極、 43…ゲートパッド、 50、50、50、60…回路遮断素子、 50a、60a…絶縁体、 50b、60b…金属層、 53、63…第1部分、 55、65…第2部分、 57、67a〜67c…溶断部、 A、A…入力端子、 B〜B…出力端子、 S、S1〜S3…断面積 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-5 ... Power converter device, 10 ... Load, 20 ... Conversion phase, 30, 70, 80, 90, 95 ... Power semiconductor module, 31, 33 ... Copper pattern, 35, 37 ... Metal wire, 40, 40a, 40b ... semiconductor device, 41 ... emitter electrode, 43 ... gate pad, 50, 50 H, 50 L, 60 ... circuit breaking element, 50a, 60a ... insulator, 50b, 60b ... metal layer, 53, 63 ... first portion, 55,65 ... second portion, 57,67A~67c ... fusion portion, A 1, A 2 ... input terminal, B 1 .about.B 3 ... output terminal, S, S1 to S3 ... sectional area

Claims (10)

半導体素子と、
前記半導体素子に直列接続された回路遮断素子と、
を備え、
前記回路遮断素子は、絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた金属層と、を有し、
前記金属層は、外部配線にそれぞれ接続される第1部分および第2部分と、溶断部と、を含み、
前記第1部分および前記第2部分は、相互に離間して設けられ、
前記溶断部は、その両端において前記第1部分および前記第2部分に接続され、
前記半導体素子および前記回路遮断素子を通過して流れる電流の流路において、前記電流の流れる方向に垂直な断面は、前記溶断部において前記第1部分および前記第2部分よりも小さいパワー半導体モジュール。
A semiconductor element;
A circuit breaker element connected in series to the semiconductor element;
With
The circuit breaker element has an insulator, and a metal layer provided on the insulator,
The metal layer includes a first part and a second part respectively connected to external wiring, and a fusing part.
The first part and the second part are provided spaced apart from each other;
The fusing part is connected to the first part and the second part at both ends thereof,
In the flow path of the current that flows through the semiconductor element and the circuit breaker element, a cross section perpendicular to the direction in which the current flows is smaller than the first part and the second part in the fusing part.
前記金属層は、銅もしくは銅合金を含む請求項1記載のパワー半導体モジュールであって、その定格電流をIMAXとした時、
前記溶断部における前記断面の面積は、IMAX×10×14×10−6mm以下であるパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1, wherein the metal layer includes copper or a copper alloy, and when the rated current is IMAX,
The power semiconductor module in which the area of the cross section in the fusing part is IMAX × 10 × 14 × 10 −6 mm 2 or less.
複数の並列接続された前記半導体素子と、
前記半導体素子のそれぞれに直列接続された複数の前記回路遮断素子と、
を備え、
前記半導体素子の並列数をNとした時、
前記溶断部の前記断面の面積は、(IMAX×10/N)×14×10−6mm以上である請求項2記載のパワー半導体モジュール。
A plurality of the semiconductor elements connected in parallel;
A plurality of the circuit breaker elements connected in series to each of the semiconductor elements;
With
When the parallel number of the semiconductor elements is N,
The power semiconductor module according to claim 2, wherein an area of the cross section of the fusing part is (IMAX × 10 / N) × 14 × 10 −6 mm 2 or more.
前記回路遮断素子は、前記溶断部を複数有し、
前記断面の面積の総和は、IMAX×10×14×10−6mm以下である請求項2記載のパワー半導体モジュール。
The circuit breaker element has a plurality of the fusing parts,
3. The power semiconductor module according to claim 2 , wherein a total area of the cross sections is IMAX × 10 × 14 × 10 −6 mm 2 or less.
前記金属層は、アルミもしくはアルミ合金を含む請求項1記載のパワー半導体モジュールであって、その定格電流をIMAXとした時、
前記溶断部における前記断面の面積は、IMAX×10×26×10−6mm以下であるパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1, wherein the metal layer includes aluminum or an aluminum alloy, and when the rated current is IMAX,
The power semiconductor module in which the area of the cross section in the fusing part is IMAX × 10 × 26 × 10 −6 mm 2 or less.
複数の並列接続された前記半導体素子と、
前記半導体素子のそれぞれに直列接続された複数の前記回路遮断素子と、
を備え、
前記半導体素子の並列数をNとした時、
前記溶断部の前記断面の面積は、(IMAX×10/N)×26×10−6mm以上である請求項5記載のパワー半導体モジュール。
A plurality of the semiconductor elements connected in parallel;
A plurality of the circuit breaker elements connected in series to each of the semiconductor elements;
With
When the parallel number of the semiconductor elements is N,
The power semiconductor module according to claim 5, wherein an area of the cross section of the fusing part is (IMAX × 10 / N) × 26 × 10 −6 mm 2 or more.
前記回路遮断素子は、前記溶断部を複数有し、
前記断面の面積の総和は、IMAX×10×26×10−6mm以下である請求項5記載のパワー半導体モジュール。
The circuit breaker element has a plurality of the fusing parts,
6. The power semiconductor module according to claim 5, wherein a total area of the cross sections is IMAX × 10 × 26 × 10 −6 mm 2 or less.
前記回路遮断素子は、半導体素子の低電圧側および高電圧側の少なくともいずれか一方に配置される請求項1〜7のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。   The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 7, wherein the circuit breaker element is disposed on at least one of a low voltage side and a high voltage side of the semiconductor element. 前記半導体素子を複数含み、
前記回路遮断素子は、2以上の並列接続された前記半導体素子に直列接続される請求項1〜8のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。
Including a plurality of the semiconductor elements,
The power semiconductor module according to claim 1, wherein the circuit breaker element is connected in series to two or more semiconductor elements connected in parallel.
半導体素子と、
前記半導体素子に直列接続され、前記半導体素子に流れる電流を遮断することが可能な回路遮断素子と、
を備え、
前記回路遮断素子および前記半導体素子を流れる前記電流の経路における金属配線は、前記回路遮断素子において他の部分よりも前記電流の密度が高い部分を有し、
前記回路遮断素子は、前記電流により前記密度が高い部分が溶断されることにより前記半導体素子を分離するパワー半導体モジュール。
A semiconductor element;
A circuit interrupting element connected in series to the semiconductor element and capable of interrupting a current flowing through the semiconductor element;
With
The metal wiring in the path of the current flowing through the circuit breaker element and the semiconductor element has a portion where the current density is higher than other portions in the circuit breaker element,
The circuit breaker element is a power semiconductor module that separates the semiconductor element by fusing a portion having the high density by the current.
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