半导体模块的过电流检测装置以及使用它的半导体模块、半导体模块的过电流检测方法

技术领域

本发明涉及半导体模块的结构和过电流检测方法，特别涉及适用于将多个半导体模块并联连接而构成的大容量的半导体模块而有效的技术。

背景技术

近年来，要求作为电力变换装置的逆变器装置的高输出化。作为高输出化的手段，考虑使多个功率半导体元件并联连接而工作，输出大电流。

电力变换装置具备将从直流电源供给的直流电力变换为用于供给给旋转电机等交流电气负载的交流电力的功能、或者将利用旋转电机发电的交流电力变换为用于供给给直流电源的直流电力的功能。

为了发挥电力变换功能，电力变换装置具有将具有多个功率半导体元件的逆变器电路并联连接的结构，通过功率半导体元件反复进行导通工作、切断工作从而进行从直流电力向交流电力或者从交流电力向直流电力的电力变换。

构成逆变器电路的半导体模块为了得到高输出化，将搭载的功率半导体元件并联连接多个而构成。例如，用公共母线布线连接多个功率半导体元件而构成。

作为功率半导体元件的一个例子，可以举出绝缘栅极型双极性晶体管(以下称为IGBT，IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)。

在逆变器电路中，将作为功率半导体元件的IGBT串联连接2个，并连接到直流电源。将与直流电源的正极侧连接的IGBT称为上支路，将与直流电源的负极侧连接的IGBT称为下支路。另外，将上支路IGBT和下支路IGBT的连接端子称为输出端子。

通过使上支路以及下支路的IGBT交替反复导通/截止，能够从输出端子取出交流电力。通过将这样的在上下支路搭载有IGBT的逆变器电路并联连接多个，能够以更大的输出功率从直流电力向交流电力或者从交流电力向直流电力进行电力变换。

在由并联连接的功率半导体元件构成的逆变器电路中，在并联连接中的1个功率半导体元件在运转工作中由于栅极噪声或者元件寿命而被破坏的情况下，从直流电源的正极朝向破坏的元件流过过大的短路电流。由于流过该短路电流，存在正常的功率半导体元件也被破坏、逆变器电路系统整体被破坏的可能性。为了防止该问题，设置检测该短路电流，生成使正常的功率半导体元件进行截止工作的保护信号的短路探测电路。

在该短路探测电路中，有比较作为功率半导体元件的IGBT的栅极信号和IGBT的集电极电压而探测的方法。在IGBT的栅极电压成为导通时，在通常工作中集电极电压降低至IGBT的导通电压，但在短路时集电极电压上升至电源电压。在利用集电极电压的方法中，探测该集电极电压上升至预定电压，判断为IGBT短路，输出保护信号。

然而，在并联连接的IGBT中1个IGBT被破坏的情况下，由其成对支路侧的并联连接的IGBT分担短路电流，集电极电压不立即上升，短路探测有时会失败。

另外，作为其他短路探测方法，有针对并联连接的各个IGBT检测分流电阻或者寄生电感的两端电压，如果电压值成为预定电压以上则判断为短路并生成保护信号的方法。

然而，在并联连接的IGBT中，需要在各个IGBT中个别地设置探测电路，保护电路的结构变得复杂。

作为并联连接的功率半导体元件的短路探测方法的现有技术，例如已知专利文献1。根据专利文献1，在驱动电路与各半导体开关元件之间在流过驱动信号的各布线中设置个别的电流检测电路，用极性检测电路个别地检测该电流检测电路检测的各电流的极性。记载了在该检测电流极性不一致时、或者在任意一个电流超过预定值并且各电流的检测极性不一致时，判定为在并联半导体开关元件的任意一个中产生了过电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-42546号公报

发明内容

然而，在利用上述专利文献1的检测方法中，检测电流依赖于驱动信号的布线阻抗。在驱动信号的布线阻抗大的情况下，检测电流变小，检测信号变得微弱，存在检测不到的可能性。

因此，本发明的目的在于提供一种在将多个逆变器电路并联连接而构成的半导体模块中，能够用比较简单的电路结构高精度地检测功率半导体元件的短路电流的半导体模块的过电流检测装置和使用它的半导体模块、以及半导体模块的过电流检测方法。

为了解决上述课题，本发明提供一种半导体模块的过电流检测装置，检测并联连接结构的半导体模块的过电流，该半导体模块具有：第1逆变器电路，搭载有第1上支路和第1下支路；以及第2逆变器电路，与所述第1逆变器电路并联连接，搭载有第2上支路和第2下支路，其特征在于，所述第1逆变器电路在所述第1上支路的发射极与所述第1下支路的集电极之间具有第1输出端子，所述第2逆变器电路在所述第2上支路的发射极与所述第2下支路的集电极之间具有第2输出端子，用布线连接所述第1输出端子和所述第2输出端子，并且在所述第1输出端子和所述第2输出端子的中点安装有向外部的输出布线，所述第1输出端子与所述中点之间的布线电感和所述第2输出端子与所述中点之间的布线电感大致相等，检测所述第1输出端子与所述第2输出端子之间的电位差，在该检测的电位差超过预定的阈值的情况下，判定为发生过电流。

另外，本发明提供一种半导体模块的过电流检测方法，检测将多个逆变器电路并联连接并将各逆变器电路的输出端子连接到公共的外部输出端子而构成的半导体模块的过电流，其特征在于，将所述各逆变器电路的输出端子和所述公共的外部输出端子连接的各布线的布线电感大致相等，检测所述各逆变器电路的输出端子之间的电位差，在该检测的电位差超过预定的阈值的情况下，判定为发生过电流。

根据本发明，能够实现在将多个逆变器电路并联连接而构成的半导体模块中，能够用比较简单的电路结构高精度地检测功率半导体元件的短路电流的半导体模块的过电流检测装置和使用它的半导体模块、以及半导体模块的过电流检测方法。

由此，提高半导体模块以及搭载它的逆变器装置的可靠性。

上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明将更加明确。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1的半导体模块以及过电流检测电路的电路结构的图。

图2是示出本发明的实施例2的发生短路电流的情况下的电流以及电压波形例的图。

图3是本发明的实施例3的并联连接的逆变器电路的俯视图。

图4是示出本发明的实施例4的半导体模块以及过电流检测电路的电路结构的图。

图5是本发明的实施例5的半导体模块的俯视图。

(符号说明)

1：过电流检测电路；2：直流电源；3a、3b、3c、3d：(输出端子的)布线电感；4a、4b、4c、4d：(短路)电流；5：差电压测量部；6：绝对值计算部；7：阈值比较部；8：切断信号生成部；10a、10b、10c、10d：逆变器电路；20：控制电路；21：上支路驱动电路；22：下支路驱动电路；30：上支路正极栅极控制端子；31：上支路负极栅极控制端子；32：下支路正极栅极控制端子；33：下支路负极栅极控制端子；60a、60b：(上支路)绝缘基板；70a、70b：(下支路)绝缘基板；100：基底基板；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8：IGBT元件；C：集电极；E：发射极；G：栅极；P：正极端子；N：负极端子；AC：(外部)输出端子；SC：短路发生；Iab(Iba)：节点a、b之间的电流；Vab(Vba)：节点a、b之间的电压；Vth：检测阈值电压。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施例。此外，在各附图中关于同一结构附加同一符号，关于重复的部分，其详细的说明省略。

实施例1

参照图1，说明本发明的实施例1的半导体模块的过电流检测电路、以及过电流检测方法。图1是示出本实施例的半导体模块和过电流检测电路的电路结构的图。

如图1所示，本实施例的半导体模块具备具有上支路以及下支路的第1逆变器电路10a、和同样地具有上支路以及下支路的第2逆变器电路10b。第1逆变器电路10a以及第2逆变器电路10b针对直流电源2并联地连接。

在第1逆变器电路10a的上支路，作为功率半导体元件配置有IGBT元件Q1，在下支路，作为功率半导体元件配置有IGBT元件Q2。

另外，在第2逆变器电路10b的上支路，作为功率半导体元件配置有IGBT元件Q3，在下支路，作为功率半导体元件配置有IGBT元件Q4。

第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b各个的上支路的IGBT元件Q1、Q3的集电极(C)侧与直流电源2的正极端子P连接，第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b各个的下支路的IGBT元件Q2、Q4的发射极(E)侧与直流电源2的负极端子N连接。

另外，第1逆变器电路10a的上支路IGBT元件Q1的发射极(E)和下支路IGBT元件Q2的集电极(C)在节点a(第1输出端子)，与第1布线电感3a连接，第2逆变器电路10b的上支路IGBT元件Q3的发射极(E)和下支路IGBT元件Q4的集电极(C)在节点b(第2输出端子)，与第2布线电感3b连接。

进而，第1布线电感3a和第2布线电感3b在节点a和节点b的中点c连接，中点c经由并联连接的逆变器电路的向外部的输出布线与向外部的输出端子AC连接。在此，第1布线电感3a和第2布线电感3b构成为大致相等。此外，第1布线电感3a和第2布线电感3b例如使用导体板(母线)等布线构成。

第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b并联连接，根据来自公共的控制电路20的驱动指令工作。来自控制电路20的驱动指令被分别分为上支路驱动指令和下支路驱动指令，上支路驱动指令被传送给上支路驱动电路21，下支路驱动指令被传送给下支路驱动电路22。

上支路驱动电路21根据上支路驱动指令，经由与上支路IGBT元件Q1、Q3的栅极G连接的上支路正极栅极控制端子30、和与上支路IGBT元件Q1、Q3的发射极E连接的上支路负极栅极控制端子31，控制并联连接的上支路IGBT元件Q1和Q3。

另外，下支路驱动电路22根据下支路驱动指令，经由与下支路IGBT元件Q2、Q4的栅极G连接的下支路正极栅极控制端子32、和与下支路IGBT元件Q2、Q4的发射极E连接的下支路负极栅极控制端子33，控制并联连接的下支路IGBT元件Q2和Q4。

在通常工作中，在上支路驱动指令和下支路驱动指令中，以不会同时成为导通的方式设置有死区时间，并联连接的逆变器电路10a、10b的上支路和下支路不会同时成为导通。

然而，由于栅极噪声、元件寿命等，偶尔产生在构成上支路的IGBT元件成为导通的期间，构成下支路的IGBT元件成为导通。

在图1中，示出在构成上支路的IGBT元件Q1和Q3成为导通而流过电流4a和电流4b时，下支路的IGBT元件Q2破坏而短路的情况。

在该情况下，在上支路中流过的电流4a和电流4b急剧增加，电流4a经由节点a直接流入IGBT元件Q2，电流4b经由节点b和节点a，依次流过第2布线电感3b和第1布线电感3a，最终地与电流4a合流而流入IGBT元件Q2。

在电流4b依次流过第2布线电感3b和第1布线电感3a时，在节点a与节点b之间产生电位差Vba。

因此，在本实施例中，利用过电流检测电路1根据该电位差Vba检测过电流，控制所有IGBT元件。过电流检测电路1具备差电压测量部5、绝对值计算部6、阈值比较部7、以及切断信号生成部8。

在过电流检测电路1中，用差电压测量部5测量上述的电位差Vba，用绝对值计算部6计算其绝对值，在阈值比较部7中电位差Vba超过预定的阈值电压的情况下，判定为在逆变器电路中流过过电流，在切断信号生成部8中生成切断信号指令，向上支路驱动电路21以及下支路驱动电路22发送切断指令，上支路驱动电路21以及下支路驱动电路22以使所有IGBT元件成为截止的方式进行控制。

此外，在未发生短路的情况下，从接点a朝向中点c的电流的大小和从接点b朝向中点c的电流的大小相等。在此，第1布线电感3a和第2布线电感3b构成为大致相等，所以在未发生短路的情况下，节点a和节点b的电位相等，电位差Vba大致成为0。

另外，由于通过检测电位差Vba来检测短路，所以即使在第1布线电感3a和第2布线电感3b大的情况下也能够检测。

如上所述，通过利用过电流检测电路1检测在半导体模块内发生的短路，并迅速地切断所有IGBT元件的工作，能够防止连正常的功率半导体元件也被破坏，防止半导体模块整体的破损和搭载它的逆变器装置的误工作。

此外，过电流检测电路1既可以收纳于与第1逆变器电路10a以及第2逆变器电路10b相同的1个模块框体内，也可以与第1逆变器电路10a以及第2逆变器电路10b独立地外装设置。

实施例2

参照图2，说明本发明的实施例2的半导体模块的过电流检测方法。图2是示出发生短路电流的情况下的电流以及电压波形例的图。

图2中的各图形的横轴表示时间t，纵轴的Iab、Vab分别表示节点a、b之间的电流、节点a、b之间的电压。另外，SC表示发生短路。

图2的(a-1)表示图1所示的并联连接的逆变器电路的IGBT元件Q2或者Q3被破坏而短路的情况下的短路电流，图2的(b-1)表示此时的电压变化。另外，图2的(a-2)表示图1所示的并联连接的逆变器电路的IGBT元件Q1或者Q4被破坏而短路的情况下的短路电流，图2的(b-2)表示此时的电压变化。

如图1所示，在并联连接的逆变器电路10a的IGBT元件Q2破坏而短路的情况下，如在实施例1中说明，电流从节点b流向节点a，在节点b与节点a之间发生电位差Vba。在将从节点b流向节点a的电流的朝向设为正时，电位差Vba成为正的值。

实施例1(图1)是IGBT元件Q2短路的情形，但即使在IGBT元件Q3破坏而短路的情况下，也同样地短路电流从节点b流向节点a。即使在该情况下，也同样地电位差Vba成为正。

另一方面，在图1的IGBT元件Q1或者IGBT元件Q4破坏而发生短路电流的情况下，节点a、b之间的电流如图2的(a-2)所示其朝向变逆(负)，节点a、b之间的电位差Vba也成为负的值。

因此，例如，在由过电流检测电路1的阈值比较部7判定电位差Vba是否超过预定的检测阈值电压(Vth)时，通过检测电位差Vba的值是正还是负，能够推测短路的IGBT元件是哪一个。

实施例3

参照图3，说明本发明的实施例3的半导体模块的过电流检测电路。图3是本实施例的并联连接的逆变器电路的俯视图。

在图3中，示出在实施例1(图1)中说明的第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b分别收纳于各个封装(模块框体内)的例子。此外，第1逆变器电路10a的上下支路的IGBT元件收纳于相同的封装内。关于第2逆变器电路10b也是同样的。

图3所示的第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b分别搭载有正极端子P、负极端子N、以及输出端子AC，用公共布线母线连接。

关于输出端子AC，为了实现第1逆变器电路10a和第2逆变器电路10b的输出布线电感的均等化，在中点c抽出。

本实施例的过电流检测电路1检测第1逆变器电路10a的节点a、和第2逆变器电路10b的节点b的电位差Vba。

与实施例1以及实施例2同样地，根据检测的电位差Vba，依据预定的检测阈值电压(Vth)判断是否为过电流。

实施例4

参照图4，说明本发明的实施例4的半导体模块的过电流检测电路、以及过电流检测方法。图4是示出本实施例的半导体模块和过电流检测电路的电路结构的图，示出将逆变器电路并联连接4个的情况下的例子。

本实施例的半导体模块如图4所示，构成为并联连接有第1逆变器电路10a、第2逆变器电路10b、第3逆变器电路10c、以及第4逆变器电路10d。

将第1逆变器电路10a的上支路和下支路的连接部的节点设为a，将第2逆变器电路10b的上支路和下支路连接部的节点设为b，将第3逆变器电路10c的上支路和下支路的连接部设为c，将第4逆变器电路10d的上支路和下支路的连接部的节点设为d。各节点a、b、c、d在节点e与公共的向外部的输出端子AC连接。

在第1逆变器电路10a的上支路搭载有IGBT元件Q1，在下支路搭载有IGBT元件Q2。在第2逆变器电路10b的上支路搭载有IGBT元件Q3，在下支路搭载有IGBT元件Q4。在第3逆变器电路10c的上支路搭载有IGBT元件Q5，在下支路搭载有IGBT元件Q6。在第4逆变器电路10d的上支路搭载有IGBT元件Q7，在下支路搭载有IGBT元件Q8。

本实施例的过电流检测电路1具有用于针对各逆变器电路的上下支路间节点a、b、c、d测量各个的电压Vba、Vcb、Vdc的布线端子。

在图4所示的实施例中，考虑第1逆变器电路10a的下支路IGBT元件Q2破坏而短路的情形。在IGBT元件Q2破坏而短路的情况下，从并联连接的上支路的IGBT元件Q1、Q3、Q5、Q7朝向IGBT元件Q2分别流过短路电流4a、4b、4c、4d。

在从逆变器电路的各节点a、b、c、d到与输出端子AC的接点e之间，具有布线电感3a、3b、3c、3d。

短路电流4a经由节点a直接流入IGBT元件Q2。另一方面，短路电流4b、4c、4d在分别经由布线电感3b、3c、3d流过之后，合流到布线电感3a，最终地流入IGBT元件Q2。

过电流检测电路1监视各节点a、b、c、d的电压，测量图4所示的差分电压Vba、Vcb、Vdc。由于在布线电感3a、3b、3c、3d中流过短路电流4b、4c、4d，差分电压上升。在差分电压Vba、Vcb、Vdc中的至少1个超过预定的检测阈值电压(Vth)的情况下，过电流检测电路1判断为在并联连接的逆变器电路中发生了短路，输出使各IGBT元件成为截止的信号指令。

关于布线电感3a、3b、3c、3d，最好通过等长布线、并行(tournament)布线，使各电感值大致均等。

此外，在本实施例中，说明了将逆变器电路并联连接4个的情况下的例子，但即使在并联连接3个的情况、并联连接5个以上的情况下，也能够应用本发明。

在并联连接数N为并联2个以上的并联逆变器电路结构中，各个逆变器电路的上下支路之间的节点是N个，与输出端子AC连接的布线电感也成为N个。过电流检测电路1的电压监视器端子成为N个，检测(N-1)个差分电压。

实施例5

参照图5，说明本发明的实施例5的半导体模块。图5是本实施例的半导体模块的俯视图。

在图5所示的半导体模块中，在基底基板100之上搭载有多个搭载有IGBT元件的绝缘基板。

第1绝缘基板60a和第2绝缘基板60b并联地电连接而构成上支路。第3绝缘基板70a和第4绝缘基板70b并联地电连接而构成下支路。

在描绘本实施例中的半导体模块的等价电路图时，可认为等价于图1所示的电路结构，在此，能够考虑将搭载于第1绝缘基板60a的IGBT元件置换为Q1，将搭载于第2绝缘基板60b的IGBT元件置换为Q3，将搭载于第3绝缘基板70a的IGBT元件置换为Q2，将搭载于第4绝缘基板70b的IGBT元件置换为Q4。因此，图5所示的半导体模块也可以说是第1逆变器电路10a以及第2逆变器电路10b收纳于1个相同的模块框体内的结构。

在上支路的绝缘基板60a、60b的集电极侧连接了正极端子P，在下支路的绝缘基板70a、70b的发射极侧连接了负极端子N。在上支路的绝缘基板60a、60b的发射极侧与下支路的绝缘基板70a、70b集电极侧之间连接了向外部的输出端子AC。

在连接上支路的第1绝缘基板60a的发射极侧和下支路的第3绝缘基板70a的集电极侧的节点a、与连接上支路的第2绝缘基板60b的发射极侧和下支路的第4绝缘基板70b的集电极侧的节点b的中点c，与输出端子AC连接。

本实施例的过电流检测电路1与图1同样地，测量节点a和节点b的电压差分，在电压差分超过预定的检测阈值电压(Vth)的情况下，判断为搭载于本半导体模块的绝缘基板上的IGBT元件短路，输出IGBT元件的切断指令。

此外，本发明不限于上述实施例而包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，未必限定为具备说明的所有结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，并且，还能够对某个实施例的结构加上其他实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分，进行其他结构的追加、删除、置换。