CN100334705C - 半导体功率模块和该模块的主电路电流测量系统 - Google Patents

半导体功率模块和该模块的主电路电流测量系统 Download PDF

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Abstract

一种半导体功率模块，检测主电路电流而不使用分流电阻，同时可降低模块的布线电感。该半导体功率模块包括检测流过半导体功率元件的主电路电流的检测部(12b)。检测部包括：第一和第二电路图形(14b、15b)；与第一和第二电路图形在键合点(C、D)连接的键合线(16)；以及从键合点(C、D)附近分别突出的一对端子图形(18b、19b)。通过从第一电路图形通过键合线向第二电路图形流过主电路电流，并检测一对端子图形间的电位差，检测在键合线的两端间产生的电位差。第一或第二电路图形包括与键合线相邻并且大致平行地延长的区域(G)。流过区域(G)和键合线的主电路电流的方向为大致相反方向。

Description

半导体功率模块和该模块的 主电路电流测量系统
技术领域
本发明涉及半导体功率模块，特别涉及配有检测流过半导体功率模块的主电路电流的检测部的半导体功率模块。本发明还涉及测量上述主电路电流值的主电路电流测量系统。
背景技术
以往，为了检测流过半导体功率元件的主电路电流，防止过电流造成的半导体功率模块的损坏，并反馈控制外部的负载，提出使用半导体功率模块(例如，参考专利文献1)。
另一方面，为了检测流过半导体功率元件的主电路电流，一般在主电路电流流过的主电路电流路径的中途设置检测电阻(分流电阻)。通过测定该分流电阻的端子间产生的电压降V，根据分流电阻的电阻值R求出主电路电流I(＝V/R)。
【专利文献1】
特开平6-112614号公报(日本)
但是，分流电阻存在昂贵并且电力损耗大的问题。此外，无论是将分流电阻内置在模块内的情况还是配置在模块外的情况，仅分流电阻部分就使布线电路的面积增大。而且，由于电路复杂化，所以导致模块的成本上升。
另一方面，作为半导体功率元件，在使用开关速度大的IGBT(绝缘栅型双极晶体管)等时，在保护该元件等的目的上需要降低模块的布线电感。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种半导体功率模块，检测主电路电流而不使用分流电阻，同时可以降低模块的布线电感。
本发明的目的还在于提供一种用于半导体功率模块的主电路电流测量系统，可以高精度地测量上述主电路电流值。
为了实现上述目的，本发明的半导体功率模块配有检测流过半导体功率模块的主电路电流的检测部，
其中，检测部包括：第一和第二电路图形；与第一和第二电路图形分别在第一和第二键合点连接的由金属细线构成的键合线；以及从第一和第二电路图形的第一和第二键合点附近分别突出的一对端子图形；从第一电路图形通过键合线向第二电路图形流过主电路电流，并通过检测与各端子图形连接的各高阻抗的电压检测端子间的电位差来检测一对端子图形间的电位差，由此检测在键合线的两端间产生的电位差，
其特征在于，第一或第二电路图形配有与键合线相邻并且大致平行延长的区域，流过该区域和键合线的主电路电流的方向相反。
本发明的主电路电流测量系统测量流过半导体功率模块的半导体功率元件中的主电路电流值，包括：
检测部，配有第一和第二电路图形、与第一和第二电路图形分别在第一和第二键合点连接的由金属细线构成的键合线、以及从第一和第二电路图形的第一和第二键合线附近分别突出的一对端子图形，从第一电路图形通过键合线向第二电路图形流过主电路电流，并通过检测与各端子图形连接的各高阻抗的电压检测端子间的电位差来检测一对端子图形间的电位差，由此检测在键合线的两端间产生的电位差；
温度传感器，用于检测键合线的温度；以及
温度校正电路，具有表示键合线的温度和电阻值之间关系的表；
其特征在于，温度校正电路根据来自温度传感器的温度信息来确定键合线的电阻值，根据该电阻值和检测部检测出的电位差来测量主电路电流的值。
根据本发明，使用键合线取代分流电阻来检测主电路电流，所以对电流进行检测的检测部中的电力损耗小，此外，可以减小布线电路的面积，而且可以简化电路，所以可以提供廉价的半导体功率模块。另外，通过设置降低键合线的电感的主电流路径，可以降低半导体功率模块的布线电感。
而且，通过考虑流过主电路电流的键合线的电阻的温度特性，可以高精度地测量主电路电流值。
附图说明
图1表示本发明的半导体功率模块的实施方式1的电路图。
图2是表示图1的检测部的概略立体图。
图3表示本发明的半导体功率模块的实施方式2的电路图。
图4表示本发明的半导体功率模块的实施方式3的检测部的概略立体图。
图5表示本发明的半导体功率模块的实施方式4的检测部的概略立体图。
图6表示本发明的半导体功率模块的实施方式5的检测部的概略立体图。
图7表示本发明的半导体功率模块的实施方式6的检测部的概略立体图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。以下，说明将半导体功率模块应用于逆变器装置的例子，但本发明不限于此。
实施方式1
图1是表示本发明的半导体功率模块的实施方式1的电路图。该半导体功率模块2包括作为形成逆变器电路3的开关元件而以串并联方式连接的IGBT4u、4v、4w、6u、6v、6w。具体地说，开关元件4u、4v、4w分别是前级的U相、V相、W相的元件，这些元件的各集电极端子连接到直流电源(电解电容器)8的正极。开关元件6u、6v、6w分别是后级的U相、V相、W相的元件，这些元件的各发射极端子连接到直流电源8的负极。前级的U相的开关元件4u的发射极端子连接到后级的U相的开关元件6u的集电极端子和作为外部负载的电机10。前级的V相的开关元件4v的发射极端子连接到后级的V相的开关元件6v的集电极端子和电机10。前级的W相的开关元件4w的发射极端子连接到后级的W相的开关元件6w的集电极端子和电机10。
逆变器电路3包括用于在开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w的各栅极端子上施加规定电压的驱动电路11。驱动电路11分别对应各IGBT，包括用于驱动该IGBT的二极管(未图示)。再有，开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w和驱动电路11可单芯片化，也可以使开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w和驱动电路11分别独立芯片化。驱动电路11对开关元件进行导通/截止控制，由此对电机10施加交流电流。例如，在前级的U相的开关元件4u导通，V相和W相的开关元件4v、4w截止，后级的V相的开关元件6v导通，U相和W相的开关元件6u、6w截止的状态下，如图1的虚线所示，电流从前级的U相的开关元件4u流到电机10，进而从电机10流到后级的V相的开关元件6v。
半导体功率模块2包括用于检测流到开关元件和电机10的电流(主电路电流)的检测部12。在本实施方式中，逆变器电路3和检测部12被容纳在半导体功率模块2的外壳(未图示)内。
参照图2，检测部12包括一对电路图形14、15，这些电路图形14、15通过键合线16而相互连接。键合线16是金属细线，例如Al细线等。电路图形14连接到后级的开关元件6u、6v、6w的各发射极端子(广义上说，电流输出端子)，同时电路图形15连接到电源8的负极，在模块2工作时，主电路电流从电路图形14流到电路图形15。更详细地说，从逆变器电路3的后级的开关元件6u、6v、6w的任何一个的发射极端子输出的主电路电流通过电路图形14的输入端A流入到电路图形14内后，到达键合线16的电路图形14上的键合点C，接着，流过键合线16，到达该键合线16的电路图形15上的键合点D。主电路电流进而流过电路图形15并在到达该电路图形15的输出端B后流入电源8。再有，通过电流流过电路图形15，将该键合线16产生的热高效率地扩散，所以如图2所示，可将导热性良好的电路图形14、15延长到键合线16下方。
从一对电路图形14、15的键合点C、D附近分别延长设置一对端子图形18、19。端子图形18、19在输出端E、F连接到高阻抗的一对电压检测端子(未图示)。这些电压检测端子延伸到模块外壳的外侧。电压检测端子的阻抗高，所以在(延长到C-E间)端子图形18和(延长到D-F间)端子图形19中实质上不流过电流。因此，一对电压检测端子的电位差对应于键合点C-D间的电压降，即键合线16的两端间的电位差。此外，一对电压检测端子的电位差不包含电路图形14的A-C间和电路图形15的D-B间的布线电感造成的噪声，正确地反映键合线16的两端间的电位差。
在本实施方式中，开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w搭载在引线框架上，电路图形14、15由引线框架的一部分形成。但是，作为电路图形14、15，也可以是在绝缘基板上由铜等形成的图形。
在从模块外壳突出的电压检测端子上，连接用于放大该端子上检测出的微小电压波形并容易采样的电压放大电路20。在电压放大电路20上连接温度校正电路22。温度校正电路22对放大的一部分电压波形进行采样，考虑键合线16的温度特性来运算对应于采样值的电流值，有表示键合线16的电阻值和温度之间关系的表。温度校正电路22连接到检测工作时的键合线16的温度的温度传感器(未图示)。温度传感器的温度检测点例如是形成模块2的外观的外壳的规定部位，最好是键合线16附近的部分。这里，将半导体功率模块2的外壳温度估计为与键合线16的温度相同(经发明人的确认，这种估计是正确的)。在测定外壳温度的情况下，与直接测定键合线16的温度的情况相比，用简单的结构即可。温度校正电路22根据键合线16的两端间产生的电压降，参照表来运算流过键合线16的主电路电流的大小。在温度校正电路22上，连接根据来自该电路22的主电路电流检测信号将规定的控制信号输出到驱动电路11的控制电路24。控制电路24例如由微计算机或DSP(数字信号处理器)等构成。
用于测量主电路电流值的本实施方式的主电路电流测量系统至少包括上述检测部12、温度传感器、以及温度校正电路22。
具备这样的结构的半导体功率模块2工作时，驱动电路11从控制电路24接受规定的控制信号，对开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w进行导通/截止控制来驱动电机10。检测部12检测开关元件和电机10中流过的主电流。键合线16的两端间的电位差由一对电压检测端子检测，在温度校正电路22中求出流过电机10的主电路电流值。控制电路24根据温度校正电路22求出的主电路电流值而对驱动电路11进行反馈控制。
可是，驱动电路11在栅极端子上施加电压，以使在将某个开关元件导通的情况下，该元件的栅极端子相对于检测部12的输出端(电路图形15的输出端)、即电源8的负极达到规定的电位差，由此，使栅极/发射极间施加电压(栅极电压)VGE不低于阈值。以往，作为主电路电流检测电阻，使用分流电阻，栅极电压因该电阻的电压降而下降，所以导通电压(集电极/发射极间的饱和电压VCE(sat))升高，开关元件的损耗增大。相反，在本实施方式中，将键合线16用作主电路电流检测电阻，所以键合线16造成的电压降小，其结果，可以抑制栅极电压的降低，降低损耗。
在包括将具有电流控制端子即栅极端子的三端子元件作为半导体功率元件的半导体功率模块(不限于逆变器装置)中，作为半导体功率元件，使用MOSFET(氧化膜半导体场效应晶体管)和晶闸管等来取代IGBT，在用图2所示的检测部检测流过该元件的主电路电流的情况下，也可以获得与上述同样的效果。例如，MOSFET的情况下，连接于第一电路图形14的电流输出端子为源极端子。
根据本实施方式的主电路电流测量系统，由于考虑了键合线16的电阻的温度依赖性，所以根据键合线16两端上产生的电压降，可高精度地测量主电路电流值。其结果，可以由控制电路24高精度地进行驱动电路11的反馈控制。
实施方式2
图3表示本发明的半导体功率模块的实施方式2的电路图。在以下的说明中，与实施方式1相同或类似的构成部件附以相同的标号或在相同的标号中附加适当的下标。本实施方式的半导体功率模块2a具有在因电机的过负载或短路(串联连接的开关元件的同时导通)等原因而流过过电流的情况下保护开关元件的功能。具体地说，用于驱动开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w的驱动电路11a与连接于检测部12的端子图形18、19(图2)的一对电压检测端子(未图示)连接，接受表示键合线16(图2)的两端间的电位差的信号。例如图3的虚线所示，如果电流从前级的U相的开关元件4u的发射极端子流到后级的U相的开关元件6u(短路)，过电流流过键合线16，则该键合线16中产生的电压降不低于基准值，驱动电路11a使开关元件4u、4v、4w、6u、6v、6w截止。
在本实施方式中，使用键合线16检测过电流，所以与在过电流检测上设置分流电阻的情况相比，可以提供布线面积小、价格低的小型模块。
此外，与上述实施方式同样，将键合线16用作主电路电流检测电阻，所以键合线16造成的电压降小，其结果，可以抑制栅极电压的下降，降低损耗。
实施方式3
下面，参照图4说明本发明的半导体功率模块的实施方式3。本实施方式和以下说明的实施方式的半导体功率模块与图1所示的半导体功率模块2类似，但用于检测键合线16两端的电位差的检测部的电路图形有所不同。
在本实施方式中，检测部12b与半导体功率模块2的检测部12同样，有一对电路图形14b、15b，这些电路图形14b、15b通过键合线16而相互连接。而且，从一对电路图形14b、15b的键合点C、D附近分别延长设置一对端子图形18b、19b。一对端子图形18b、19b在输出端E、F连接到高阻抗的一对电压检测端子(未图示)。在本实施方式中，形成电路图形15b，使其一部分(区域G)与键合线16相邻并且大致平行。其结果，在工作时，在键合线16和区域G中电流在相互相反方向上流过，所以可以抑制键合线16的布线电感产生的噪声(因而，可以削减滤波电路等的噪声吸收部件)，可以检测在键合线16的两端间产生的微小的电压降。这样，在本实施方式中，可以提供检测主电路电流而不设置分流电阻、同时可降低噪声的半导体功率模块。
在图示的例子中，在第二电路图形15b中设置了主电路电流在与键合线16大致相反方向上流过的区域，但也可以取代这种区域，在第一电路图形14b中设置这样的区域来降低键合线16的布线电感。
实施方式4
下面，参照图5说明本发明的半导体功率模块的实施方式4。在本实施方式的半导体功率模块中，检测部12c与实施方式1的半导体功率模块2的检测部12相同，有一对电路图形14c、15c，这些电路图形14c、15c通过键合线16而相互连接。在本实施方式中，与键合线16的延长方向相关，从位于一对电路图形14c、15c的键合点C、D内侧的H点、I点分别延长设置一对端子图形18c、19c。一对端子图形18c、19c在输出端E、F连接到高阻抗的一对电压检测端子(未图示)。因而，在工作时，在H-E间和I-F间、同时在C-F间和D-I间实质上不流过电流。
在本实施方式中，通过将端子图形18c、19c的突出地点H、I处于键合点C、D的“内侧”，排除键合线16以外的布线电感造成的噪声影响，因而可以检测在键合线16的两端间产生的微小的电压降。
再有，端子图形18c、19c与键合线16的延长方向相关从电路图形14c、15c的相同侧突出，但也可以从相反侧突出。
此外，也可以将本实施方式与上述实施方式或以下说明的实施方式进行组合。
实施方式5
下面，参照图6说明本发明的半导体功率模块的实施方式5。在本实施方式的半导体功率模块中，检测部12d有三个电路图形30、32、34。电路图形30、34相互相邻并大致平行地延长，电路图形32对置设置在电路图形30、34的延长方向一端上。电路图形30、32通过键合线16A相互连接。从电路图形30、32的键合点C、D附近分别延长设置一对端子图形18d、19d。端子图形18d、19d在输出端E、F连接到高阻抗的一对电压检测端子(未图示)。
电路图形32、34通过相邻于键合线16A并大致平行地延长的键合线16B而相互连接。在模块2工作时，以电路图形30、电路图形32和电路图形34的顺序流过主电路电流。更详细地说，从逆变器电路3(参照图1)输出的主电路电流通过矩形的电路图形30的输入端A流入电路图形30内后，到达键合线16A的电路图形30上的键合点C，接着，流过键合线16A，到达该键合线16A的电路图形32上的键合点D。主电路电流进而流过电路图形32并到达键合线16B的电路图形32上的键合点J。主电路电流接着流过键合线16B，到达该键合线16B的电路图形34上的键合点K，进而流过电路图形34到达输出端B后流入电源8(参照图1)。
在本实施方式中，工作时键合线16A、16B中电流在相互大致相反方向上流动，所以可以抑制键合线16A、16B产生的噪声，可以检测在键合线16A的两端间产生的微小的电压降。这样，在本实施方式中，可以提供检测主电路电流而不设置分流电阻、同时可降低噪声的半导体功率模块。
再有，在附图的结构中，工作时A-C间和K-B间流过的电流为大致相反方向，因而可以降低模块的布线电感。
实施方式6
下面，参照图7，说明本发明的半导体功率模块的实施方式5。在本实施方式的半导体功率模块中，在检测部12e的电路图形14e、15e之间，连接多条(在图的例子中为两条)键合线16C、16D。从一对电路图形14e、15e的键合点C、D附近分别延长设置一对端子图形18e、19e。将键合线16C、16D的合成电阻值与上述实施方式那样的使用一条键合线的情况同样地设定的情况下，由于表面积增大，所以可以提高这部分键合线的散热性。因此，可以抑制工作时的键合线的温度上升。
再有，通过适当选择键合线的条数、直径、长度，可以使电压检测用电阻的电阻值容易地达到规定的值，与使用分流电阻的情况相比，实用上非常方便。
在上述实施方式中，也可以使电路图形间设置的键合线为多条。

Claims (8)

1.一种半导体功率模块，包括检测流过半导体功率元件的主电路电流的检测部，其特征在于，
检测部包括：第一和第二电路图形；在第一和第二键合点分别连接于第一和第二电路图形的由金属细线构成的键合线；以及从第一和第二电路图形的第一和第二键合点附近分别突出的一对端子图形；从第一电路图形通过键合线向第二电路图形流过主电路电流，并通过检测与各端子图形连接的各高阻抗的电压检测端子间的电位差来检测一对端子图形间的电位差，由此检测在键合线的两端间产生的电位差。
2.如权利要求1的半导体功率模块，其特征在于，第一或第二电路图形包括与键合线相邻且平行地延长的区域，流过该区域和键合线的主电路电流的方向相反。
3.如权利要求1的半导体功率模块，其特征在于，半导体功率元件为三端子元件，其栅极端子作为电流控制端子，电流输出端子连接到第一电路图形的输入端，
为了在半导体功率元件中流过主电路电流，将电压输入到电流控制端子，以使电流控制端子相对于第二电路图形的输出端达到规定的电位差。
4.如权利要求1的半导体功率模块，其特征在于，将第一和第二电路图形之间的键合线设置多条。
5.如权利要求1的半导体功率模块，其特征在于，将所述一对端子图形的突出位置设定在与键合线的延长方向相关的该键合线的第一和第二键合点之间的区域中。
6.一种半导体功率模块，包括检测流过半导体功率元件的主电路电流的检测部，其特征在于，
检测部包括：第一至第三电路图形；在第一和第二键合点分别连接于第一和第二电路图形的由金属细线构成的第一键合线；在第三和第四键合点分别连接于第二和第三电路图形的由金属细线构成的第二键合线；以及从第一和第二电路图形的第一和第二键合点附近或从第二和第三电路图形的第三和第四键合点附近分别突出的一对端子图形；从第一电路图形以第一键合线、第二电路图形、第二键合线、第三电路图形的顺序流过主电路电流，并通过检测与各端子图形连接的各高阻抗电压检测端子间的电位差来检测一对端子图形间的电位差，由此检测在第一键合线或第二键合线的两端间产生的电位差，
第一和第二键合线相邻且平行地延长，流过第一和第二键合线的主电路电流的方向相反。
7.一种主电路电流测量系统，测量流过半导体功率模块的半导体功率元件的主电路电流值，其特征在于，该主电路电流测量系统包括：
检测部，它包括：第一和第二电路图形；在第一和第二键合点分别连接于第一和第二电路图形的由金属细线构成的键合线；以及从第一和第二电路图形的第一和第二键合点附近分别突出的一对端子图形，从第一电路图形通过键合线向第二电路图形流过主电路电流，并通过检测与各端子图形连接的各高阻抗电压检测端子间的电位差来检测一对端子图形间的电位差，由此检测在键合线的两端间产生的电位差；
温度传感器，用于检测键合线的温度；以及
温度校正电路，具有表示键合线的温度和电阻值之间关系的表；
温度校正电路根据来自温度传感器的温度信息来确定键合线的电阻值，根据该电阻值和检测部检测出的电位差来测量主电路电流值。
8.如权利要求7的主电路电流测量系统，其特征在于，温度传感器检测形成半导体功率模块外观的外壳的规定部分的温度。
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