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JP6222002B2 - 電流遮断装置 - Google Patents
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Description

本明細書に開示の技術は、電流遮断装置に関する。
特許文献１には、ヒューズの代替としてボンディングワイヤ（以下、ＢＷという場合がある）を使用した電流遮断装置が開示されている。ＢＷに過電流が流れると、ＢＷが溶断する。これによって、保護対象にそれ以上電流が流れることが防止される。
特開２００７−２５０３４７号公報
本明細書では、ＢＷを利用するとともに、より確実に保護対象を保護することができる電流遮断装置を提供する。
本願発明者らは、スイッチング素子とＢＷを用いた電流遮断装置を創作した。この電流遮断装置は、半導体基板と、半導体基板の表面に形成された電極と、電極に接続されたＢＷを有する。半導体基板には、表面の電極に接続されたスイッチング素子が形成されている。この電流遮断装置の使用時には、表面の電極に、保護対象の素子や回路が接続される。この電流遮断装置は、保護対象とＢＷとに電流が流れるように使用される。この電流遮断装置では、ＢＷの両端の電圧を検出する。ＢＷの両端の電圧は、ＢＷに流れる電流（すなわち、保護対象に流れる電流）とある程度の相関を有する。この電流遮断装置では、検出された電圧が閾値を超えたときにスイッチング素子がオンする。すると、スイッチング素子を介してＢＷに電流が流れるようになり、ＢＷに流れる電流が増加する。これによって、ＢＷが破断し、保護対象に過電流が流れることが防止される。
この電流遮断装置は、ＢＷの両端の電圧がＢＷに流れる電流に相関することを利用している。ＢＷが抵抗を有するので、ＢＷの両端の電圧はＢＷに流れる電流にある程度相関する。しかしながら、ＢＷはインダクタンスを有する。このため、ＢＷの両端には、ＢＷのインダクタンスにより生じる電圧（すなわち、インダクタンスにＢＷに流れる電流の変化率を乗算した値）も発生する。このため、ＢＷの両端の電圧は、ＢＷに流れる電流（すなわち、保護対象に流れる電流）に対してそれほど高い相関を有するわけではない。このため、上記の電流遮断装置では、保護対象に流れる電流に正確に対応させて電流を遮断することができない。ＢＷの抵抗を増加させるためにＢＷを長くすると、ＢＷのインダクタンスも増加するため、この方法では問題を解決することはできない。したがって、本明細書では、スイッチング素子とＢＷを用いたより改良された電流遮断装置を提供する。
本明細書が開示する電流遮断装置は、スイッチング素子が形成されている半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成されている第１電極と、前記表面に形成されており、前記第１電極から分離されている第２電極と、前記表面に形成されており、前記第１電極と前記第２電極の間を接続する抵抗膜と、端子と、前記第１電極と前記端子とを接続するボンディングワイヤと、前記抵抗膜を含む電流経路の両端の電圧が閾値を超えたときに、前記スイッチング素子をオンする制御素子を有する。前記スイッチング素子が、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方に接続されている。
なお、「抵抗膜を含む電流経路」は、抵抗膜を含む限り、どのような電流経路であってもよい。したがって、「抵抗膜を含む電流経路の両端の電圧」は、第１電極と第２電極の間の電圧であってもよいし、端子と第２電極の間の電圧であってもよいし、端子と第２電極に接続されている別の端子の間の電圧であってもよい。
この電流遮断装置は、ＢＷとは別に抵抗膜を有する。抵抗膜にはＢＷに比べて高い抵抗を持たせることができる。したがって、抵抗膜を含む電流経路の両端の電圧は、抵抗膜に流れる電流（すなわち、保護対象の素子や回路に流れる電流）と高い相関を有する。このため、抵抗膜を含む電流経路の両端の電圧に基づいてスイッチング素子を制御することで、保護対象をより確実に保護することができる。
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０の回路図。 電流遮断装置１０の縦断面図。 電流遮断装置１０の回路図。 第１変形例の電流遮断装置の縦断面図。 第１変形例の電流遮断装置の回路図。 第２変形例の電流遮断装置の縦断面図。 第３変形例の電流遮断装置の縦断面図。 第４変形例の電流遮断装置の回路図。
図１は、実施形態の電流遮断装置１０を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を示している。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０は、バッテリ７６によって印加される電圧を昇圧し、昇圧した電圧をインバータ回路８０に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０及びインバータ回路８０は、ハイブリッドカーに搭載されている。インバータ回路８０は、ハイブリッドカーのモータに電力を供給する。
バッテリ７６は、入力配線７２と低電位配線７０の間に接続されている。バッテリ７６の正極は、ヒューズ６８を介して入力配線７２に接続されている。バッテリ７６の負極は、低電位配線７０に接続されている。入力配線７２には、コイル７８が介装されている。入力配線７２と低電位配線７０の間には、コンデンサ８２が接続されている。コンデンサ８２は、コイル７８よりもヒューズ６８側の入力配線７２に接続されている。コイル７８を挟んでヒューズ６８の反対側の入力配線７２には、ＩＧＢＴ９４とダイオード９６が並列に接続されている。ダイオード９６のカソードとＩＧＢＴ９４のコレクタが、入力配線７２に接続されている。ＩＧＢＴ９４のゲートには、図示しないゲート制御回路が接続されている。ダイオード９６のアノードとＩＧＢＴ９４のエミッタは、電流遮断装置１０に接続されている。ダイオード９６のアノードとＩＧＢＴ９４のエミッタは、電流遮断装置１０を介して低電位配線７０に接続されている。コイル７８を挟んでヒューズ６８の反対側の入力配線７２と出力配線７４の間には、ＩＧＢＴ９０とダイオード９２が並列に接続されている。ダイオード９２のカソードが出力配線７４に接続されており、ダイオード９２のアノードが入力配線７２に接続されている。また、ＩＧＢＴ９０のコレクタが出力配線７４に接続されており、ＩＧＢＴ９０のエミッタが入力配線７２に接続されている。ＩＧＢＴ９０のゲートには、図示しないゲート制御回路が接続されている。出力配線７４と低電位配線７０の間には、コンデンサ８４が接続されている。出力配線７４と低電位配線７０は、インバータ回路８０に接続されている。
図２に示すように、電流遮断装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２には、ＩＧＢＴ１４が形成されている。半導体基板１２の上面には、電極１６と、電極１８と、絶縁膜２０と、抵抗膜２２と、絶縁膜２４が形成されている。電極１６は、半導体基板１２の上面に形成されている。電極１６は、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極である。電極１８は、半導体基板１２の上面に形成されている。電極１８は、電極１６から分離されている。絶縁膜２０は、電極１６と電極１８の間の半導体基板１２の上面に形成されている。絶縁膜２０上には、抵抗膜２２が形成されている。抵抗膜２２は、不純物がドープされたシリコンにより形成されている。抵抗膜２２は、絶縁膜２０によって半導体基板１２から絶縁されている。抵抗膜２２は、電極１６及び電極１８に接している。すなわち、抵抗膜２２によって、電極１６と電極１８が接続されている。抵抗膜２２は、所定の抵抗を有する。抵抗膜２２の上面は、絶縁膜２４によって覆われている。半導体基板１２の下面には、裏面電極２６が形成されている。裏面電極２６は、ＩＧＢＴ１４のコレクタ電極である。また、図示していないが、半導体基板１２の上面には、ＩＧＢＴ１４のゲート電極用のボンディングパッドが形成されている。このボンディングパッドは、後述するＩＣ５４に接続されている。
電流遮断装置１０は、バスバー２８、ＢＷ３０、バスバー３２、ＢＷ３４、バスバー３６を有している。バスバー２８、３２、３６は、端子である。バスバー２８は、ＢＷ３０によって電極１６に接続されている。また、図１に示すように、バスバー２８は、ＩＧＢＴ９４のエミッタ及びダイオード９６のアノードに接続されている。図２に示すように、バスバー３２は、ＢＷ３４によって電極１８に接続されている。また、図１に示すように、バスバー３２は、低電位配線７０に接続されている。図２に示すように、裏面電極２６（すなわち、ＩＧＢＴ１４のコレクタ）は、バスバー３６に接続されている。図１に示すように、バスバー３６は、出力配線７４に接続されている。
電流遮断装置１０は、図３に示す駆動回路４０をさらに有している。駆動回路４０は、バスバー２８に接続された入力配線４２、バスバー３２に接続された入力配線４４及びＩＧＢＴ１４のゲートに接続されたゲート配線４６を有している。入力配線４２は、ヒューズ４８とフィルタ回路５０を介してバッファ回路５２に接続されている。入力配線４４は、フィルタ回路５０を介してバッファ回路５２に接続されている。フィルタ回路５０は、入力配線４２に介装された抵抗と、入力配線４２と入力配線４４の間に接続されたコンデンサによって構成されている。フィルタ回路５０は、入力配線４２と入力配線４４の間の信号からノイズを除去する。バッファ回路５２には、ノイズ除去後の入力配線４２と入力配線４４の間の信号（すなわち、バスバー２８とバスバー３２の間の電圧Ｖ１）が入力される。バッファ回路５２は、ＩＣ５４に接続されている。バッファ回路５２は、入力された電圧Ｖ１を、ＩＣ５４の駆動電圧に適合する値に調整してＩＣ５４に入力する。ＩＣ５４は、ゲート抵抗５６を介してＩＧＢＴ１４のゲートに接続されている。ＩＣ５４は、バスバー２８とバスバー３２の間の電圧Ｖ１に応じて、ＩＧＢＴ１４のゲート電位を制御する。
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０の動作について説明する。通常時は、電流遮断装置１０のＩＧＢＴ１４はオフしている。また、ＩＧＢＴ９０、９４は、ＩＧＢＴ９０がオンするとともにＩＧＢＴ９４がオフする状態と、ＩＧＢＴ９４がオンするとともにＩＧＢＴ９０がオフする状態が交互に繰り返されるように制御される。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０の動作は、ハイブリッドカーのモータがエネルギーを消費している場合（力行動作）と、当該モータが発電している場合（回生動作）によって変化する。
力行動作では、バッテリ７６からインバータ回路８０に電力が供給される。力行動作において、ＩＧＢＴ９４がオンするとともにＩＧＢＴ９０がオフする状態になると、バッテリ７６の正極から、ヒューズ６８、コイル７８、ＩＧＢＴ９４、電流遮断装置１０を経由して、低電位配線７０に向かって電流が流れる。このとき、電流遮断装置１０内では、図３の矢印Ａ１に示すように、バスバー２８から、ＢＷ３０、電極１６、抵抗膜２２、電極１８及びＢＷ３４を経由して、バスバー３２に向かって電流が流れる。
その後、ＩＧＢＴ９０がオンするとともにＩＧＢＴ９４がオフする状態に切り換えられる。すると、バッテリ７６の正極から、ヒューズ６８、コイル７８、ダイオード９２を経由して、出力配線７４に向かって電流が流れる。また、コイル７８は電流を維持する方向に誘導起電力を生じさせる。このため、出力配線７４には、バッテリ７６の出力電圧にコイル７８の誘導起電力を重畳した電圧が出力される。すなわち、出力配線７４に、バッテリ７６の出力電圧よりも高い電圧が印加される。したがって、力行動作では、ＩＧＢＴ９０、９４のオンオフを繰り返すことで、インバータ回路８０に高電圧が供給される。
回生動作では、インバータ回路８０からバッテリ７６に電力が供給され、バッテリ７６が充電される。回生動作において、ＩＧＢＴ９０がオンするとともにＩＧＢＴ９４がオフする状態になると、出力配線７４から、ＩＧＢＴ９０、コイル７８及びヒューズ６８を経由してバッテリ７６の正極に向かって電流が流れる。
その後、ＩＧＢＴ９４がオンするとともにＩＧＢＴ９０がオフする状態に切り換えられる。すると、コイル７８は電流を維持する方向に誘導起電力を生じさせる。このため、低電位配線７０から、電流遮断装置１０、ダイオード９６、コイル７８及びヒューズ６８を経由してバッテリ７６の正極に向かって電流が流れる。したがって、回生動作では、ＩＧＢＴ９０、９４のオンオフを繰り返すことで、バッテリ７６が充電される。
次に、電流遮断装置１０の動作について説明する。上述したように、ＩＧＢＴ９４に電流が流れると、図３の矢印Ａ１に示すように電流遮断装置１０に電流が流れる。このため、何等かの理由によりＩＧＢＴ９４に流れる電流が増大すると、図３の矢印Ａ１に示す電流も増大する。図３に示すＩＣ５４は、バスバー２８とバスバー３２の間の電圧Ｖ１を監視する。ＩＣ５４は、電圧Ｖ１が所定の閾値を超えると、ＩＧＢＴ１４のゲート電圧を上昇させ、ＩＧＢＴ１４をオンさせる。すると、図１、３の矢印Ａ２に示すように、高電位を有する出力配線７４から低電位配線７０に電流が流れる。矢印Ａ２に示す電流は、極めて大きい電流である。この電流は、バスバー３６、ＩＧＢＴ１４、電極１６、抵抗膜２２、電極１８、ＢＷ３４及びバスバー３２を通過する。矢印Ａ２に示す電流が極めて大きいため、矢印Ａ２に示す電流が流れると、ＩＧＢＴ１４が熱破壊に至る。また、ＩＧＢＴ１４が熱破壊に至る際の衝撃によって、ＢＷ３４が破断する。すなわち、ＢＷ３４がヒューズとして機能する。これによって、ＩＧＢＴ９４が低電位配線７０から切断され、それ以上ＩＧＢＴ９４に高電流が流れることが防止される。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０が過電流から保護される。
また、ＢＷ３４が破断すると、ＩＧＢＴ９４から電流遮断装置１０に向かって流れる電流が、図３に示す駆動回路４０の入力配線４２に流入する。すると、ヒューズ４８が破断する。これによって、電流がＩＣ５４に流入することが防止され、ＩＣ５４が保護される。
以上に説明したように、電流遮断装置１０によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を保護することができる。ここで、抵抗膜２２の抵抗は、バスバー２８とバスバー３２の間の電流経路のインダクタンス（例えば、ＢＷ３０、３４のインダクタンス等）の影響が電圧Ｖ１にほとんど現れない程度に十分に大きい。また、抵抗膜２２は半導体基板１２の上面に形成されているため、略平坦に形成されている。このため、抵抗膜２２のインダクタンスは極めて低い。このため、電圧Ｖ１は、抵抗膜２２に流れる電流と略比例する。すなわち、電圧Ｖ１と抵抗膜２２に流れる電流（すなわち、ＩＧＢＴ９４に流れる電流）の相関は極めて高い。このため、電圧Ｖ１に基づいてＩＧＢＴ１４をオンさせることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を確実に保護することができる。また、ＢＷ３４が破断することで、バッテリ７６に過電流が流れることを防止し、ヒューズ６８が破断することを防止することができる。
なお、上記の実施形態では、ＩＣ５４がバスバー２８とバスバー３２の間の電圧Ｖ１に応じてＩＧＢＴ１４を制御した。しかしながら、電圧の測定箇所は、抵抗膜２２を含む電流経路の両端であれば、何れの箇所であってもよい。例えば、電極１６と電極１８の間で電圧を測定してもよい。また、バスバー２８と電極１８の間で電圧を測定してもよい。また、バスバー３２と電極１６の間で電圧を測定してもよい。抵抗膜２２が比較的高い抵抗を有するため、抵抗膜２２を含む電流経路で電圧を測定すれば、その電流経路のインダクタンスによる電圧への影響を相対的に小さくすることができる。したがって、電流経路に流れる電流に対して高い相関を有する電圧を測定することができ、電流に応じて確実にＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を保護することができる。
また、上述した実施形態では、電極１６にＩＧＢＴ１４が接続されていた。しかしながら、図４に示すように、電極１８にＩＧＢＴ１４が接続されるように、半導体基板１２内にＩＧＢＴ１４が形成されていてもよい。この場合、電流遮断装置１０の回路図は、図５に示す構成となる。この場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータのＩＧＢＴ９４に流れる電流が、図５の矢印Ａ３に示すように、抵抗膜２２に流れる。したがって、抵抗膜２２を含む電流経路の電圧により、正確にＩＧＢＴ９４に流れる電流を測定することができる。また、ＩＧＢＴ１４をオンすると、図５の矢印Ａ４に示すように電流が流れる。これによって、ＩＧＢＴ１４が熱破壊に至り、ＢＷ３４を破断させることができる。したがって、適切にＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を保護することができる。また、図６に示すように、半導体基板１２内に、電極１６に繋がるＩＧＢＴ１４と、電極１８に繋がるＩＧＢＴ１４が形成されていてもよい。このような構成でも、適切にＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０を保護することができる。
また、上述した実施形態では、ＢＷ３０によってバスバー２８が電極１６に接続されていた。しかしながら、図７に示すように、バスバー２８が、はんだ等によって電極１６に接合されていてもよい。すなわち、バスバー２８と電極１６との接続構造は、ワイヤーボンディングに限られず、その他の種々の接続構造を採用することができる。
また、上述した実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０の下アームのＩＧＢＴ９４に過電流が流れる際に電流を遮断する構成について説明した。しかしながら、本明細書が開示する電流遮断装置は、その他の種々の素子の保護に使用することができる。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路６０の上アームのＩＧＢＴ９０の過電流を遮断するために電流遮断装置を用いてもよい。また、その他の回路や素子の保護に、電流遮断装置を用いてもよい。電流遮断装置は、保護対象の素子や回路に流れる電流が抵抗膜２２とＢＷ３４に流れるようになっており、抵抗膜２２とＢＷ３４の通電時にバスバー２８がバスバー３２よりも高い電位となり、バスバー３６がバスバー３２よりも高い電位に接続されていれば、保護対象を保護することができる。
また、上述した実施形態では、半導体基板１２にＩＧＢＴ１４が形成されていた。しかしながら、半導体基板１２に形成されるスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ等の他のスイッチング素子であってもよい。
また、上述した実施形態の電流遮断装置１０は、図２に示すように、抵抗膜２２からヒューズとして機能するＢＷ３４側に向かって電流が流れるように構成されていた。しかしながら、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ等により構成されており、半導体基板１２の上面側から下面側に電流を流すことが可能な場合には、実施形態とは電流の向きが逆であってもよい。例えば、図８に例示の回路のように電流遮断装置１０が構成されていてもよい。図８の回路では、ＩＧＢＴ１４の代わりにＭＯＳＦＥＴ１０２が形成されている。図８の回路では、通常時には、矢印Ａ５に示すように、ＢＷ３４から保護対象の素子１００に向かって電流が流れる。矢印Ａ５に示すように流れる電流が閾値以上に上昇すると、ＭＯＳＦＥＴ１０２がオンする。すると、矢印Ａ６に示すようにＢＷ３４とＭＯＳＦＥＴ１０２を経由して電流が流れる。これによって、ＭＯＳＦＥＴ１０２が熱破壊に至り、ＢＷ３４が破断する。この構成でも、保護対象の素子１００を保護することができる。
また、上述した例では、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子がオンしたときにスイッチング素子が熱破壊に至り、熱破壊時の衝撃におりＢＷ３４が破断した。しかしながら、スイッチング素子がオンしたときにＢＷ３４に流れる電流によって、ＢＷ３４が溶断してもよい。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
１０：電流遮断装置
１２：半導体基板
１６、１８：電極
２０：絶縁膜
２２：抵抗膜
２４：絶縁膜
２６：裏面電極
２８、３２、３６：バスバー
３０、３４：ボンディングワイヤ
４０：駆動回路
４２、４４：入力配線
４６：ゲート配線
４８：ヒューズ
５０：フィルタ回路
５２：バッファ回路
５６：ゲート抵抗
６０：ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
６８：ヒューズ
７０：低電位配線
７２：入力配線
７４：出力配線
７６：バッテリ
７８：コイル
８０：インバータ回路
８２：コンデンサ
８４：コンデンサ
９０、９４：ＩＧＢＴ
９２、９６：ダイオード

Claims (2)

  1. 電流遮断装置であって、
    スイッチング素子が形成されている半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成されている第１電極と、
    前記表面に形成されており、前記第１電極から分離されている第２電極と、
    前記表面に形成されており、前記第１電極と前記第２電極の間を接続する抵抗膜と、
    端子と、
    前記第１電極と前記端子とを接続するボンディングワイヤと、
    前記抵抗膜を含む電流経路の両端の電圧が閾値を超えたときに、前記スイッチング素子をオンする制御素子、
    を有し、
    前記スイッチング素子が、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方に接続されている電流遮断装置。
  2. 前記制御素子が、前記制御素子に流れる電流が所定値を超えたときに断線するヒューズを有する請求項１の電流遮断装置。
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