半导体装置以及采用它的马达和空调机的制作方法
半导体装置以及采用它的马达和空调机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够应用于马达驱动的半导体装置以及采用它的马达和空调机。
【背景技术】
[0002]近年来，通过由功率半导体开关元件构成的逆变器电路来对交流马达进行可变速驱动。已知一种通过I个半导体芯片或者多个半导体芯片的半导体集成电路来构成包括该逆变器电路及其控制电路的马达驱动装置，使马达驱动装置小型化的技术(例如，参照专利文献I)。
[0003]使用图11，说明基于上述现有技术的高耐压马达驱动用半导体装置的一个例子。
[0004]图11的高耐压马达驱动用半导体装置10 (以下，称为高耐压马达驱动用IC)具备高耐压马达驱动用半导体芯片10’。图11的Tl?T6是用于驱动3相马达的6个开关元件，在图11的例子中是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。Dl?D6是与各个IGBT反并联地连接了的回流二极管。Pl是U相的输出端子，P2是V相的输出端子，P3是W相的输出端子。这些输出端子与马达的定子线圈8连接。
[0005]VUT是U相上支路控制信号，从U相上支路控制信号输入端子Pll被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — U相上支路IGBT Tl这样的路径而被传递。VVT是V相上支路控制信号，从V相上支路控制信号输入端子P12被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — V相上支路IGBT T2这样的路径而被传递。VWT是W相上支路控制信号，从W相上支路控制信号输入端子P13被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — W相上支路IGBT T3这样的路径而被传递。
[0006]VUB是U相下支路控制信号，从U相下支路控制信号输入端子P14被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — U相下支路IGBT T4这样的路径而被传递。VVB是V相下支路控制信号，从V相下支路控制信号输入端子P15被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — V相下支路IGBT T5这样的路径而被传递。VWB是W相下支路控制信号，从W相下支路控制信号输入端子P16被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — W相下支路IGBT T6这样的路径而被传递。
[0007]上述6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB由控制用半导体装置7输出。
[0008]在图11中，电荷泵电路CH是生成上支路IGBT驱动用电源电压VCP的电路。二极管D7、D8以及电容器C3、C4是电荷泵电路用的外置部件。用于使电荷泵电路CH动作的时钟信号VCL由高耐压马达驱动用IClO的内部电路生成，被输入到电荷泵电路CH。
[0009]内部电源电路11基于驱动电路用电源电压Vcc来生成控制用半导体装置7的电源电压VB。如果分流电阻Rs的电压达到某个电平以上，则过电流检测电路16向逻辑电路LG输出过电流探测信号。
[0010]控制用半导体装置7从高耐压马达驱动用IClO输入电源电压VB，将6个控制信号VUT, VVT、VWT、VUB、VVB、VffB输出到高耐压马达驱动用IC10。
[0011]图11的C1、C2、C5是电源稳定化用电容器。
[0012]在上述那样的高耐压马达驱动用IClO中，如果对高压电源电压VDC施加由电涌电压等所致的过电压，则存在高耐压马达驱动用IC1故障的可能性。因此，在图11所示的现有技术中，为了防止由电涌电压所致的故障，在高压电源电位VDC与接地电位之间，以外置方式通过印制电路板上的布线连接齐纳二极管ZD。
[0013]现有技术文献
[0014]专利文献1:日本特开2008-228547号公报
【发明内容】
[0015]在上述现有技术中，通过在印制电路板上配置外置齐纳二极管，抑制由电涌电压所致的过电压。但是，在由于再生电流而产生过电压的情况下，与由电涌电压所致的过电压不同，在长时间内，在齐纳二极管中有电流流过。此时，齐纳电压具有较大的正的温度依赖性，所以伴随温度上升而变大。然后，如果齐纳电压超过高耐压马达驱动用IC的耐压，则存在高耐压马达驱动用IC发生故障的可能性。
[0016]为了防止这种情况，需要提高高耐压马达驱动用IC的耐压。为了提高高耐压马达驱动用IC的耐压，在高耐压马达驱动用IC内的被施加高电压的全部元件的元件构造中，需要使半导体层低浓度化或者变厚来提高耐压。但是，关于高耐压马达驱动用IC内的输出级元件(在图11中，是IGBT Tl?6以及二极管Dl?6)，耐压与发电损失是相互权衡(tradeoff)的关系，如果提高耐压，则发电损失增加。
[0017]因此，本发明提供能够抑制电力损失的增加并且提高耐过电压性能的半导体装置以及采用它的马达和空调机。
[0018]为了解决上述问题，基于本发明的半导体装置具备通过多个半导体开关元件的切换来输出用于驱动马达的电力的电力变换电路、以及驱动多个半导体开关元件的驱动电路，其中，该半导体装置具备连接于电力变换电路的电源电位与接地电位之间的电涌吸收用的半导体元件，电力变换电路、驱动电路、以及半导体元件被树脂密封，以构成一个封装体。
[0019]另外，基于本发明的马达内置有对定子线圈施加电压的马达驱动用半导体装置，作为该马达驱动用半导体装置，采用基于上述本发明的半导体装置。
[0020]进而，基于本发明的空调机具备室外机以及室内机，室外机或室内机具有风机马达，作为该风机马达，采用基于上述本发明的马达。
[0021]根据本发明，由于电涌吸收用半导体元件的发热而电力变换电路的半导体开关元件的温度上升，所以即使不改变元件构造，在温度上升时也能够提高半导体开关元件的耐压。由此，能够抑制半导体装置的电力损失的增加并且提高耐过电压性能。进而，根据基于本发明的半导体装置，马达、空调机的针对过电压的可靠性提高。
[0022]上述之外的问题、构成以及效果将通过以下的实施例的说明而明确。
【附图说明】
[0023]图1示出作为本发明的实施例1的马达驱动装置的电路构成。
[0024]图2示出高耐压马达驱动用IC的安装构造例。
[0025]图3示出高耐压马达驱动用半导体芯片以及齐纳二极管芯片中的耐压的温度特性例。
[0026]图4示出作为本发明的实施例2的马达驱动装置的电路构成。
[0027]图5示出作为本发明的实施例3的马达驱动装置的电路构成。
[0028]图6示出作为本发明的实施例4的马达驱动装置的电路构成。
[0029]图7是示出作为本发明的实施例5的马达的构成的概要性装配图。
[0030]图8是示出作为实施例5的一个变形例的马达的构成的概要性装配图。
[0031]图9是示出作为实施例5的另一个变形例的马达的构成的概要性外观图。
[0032]图10示出作为本发明的实施例6的马达驱动系统的电路构成。
[0033]图11示出基于现有技术的高耐压马达驱动用半导体装置的一个例子。
[0034]【符号说明】
[0035]I商用电源
[0036]2电源电路
[0037]3微型计算机
[0038]4电路基板
[0039]5 马达
[0040]5A框体上部
[0041]5B框体下部
[0042]5C定子线圈
[0043]5D模塑部
[0044]6马达内置基板
[0045]7控制用半导体装置
[0046]8定子线圈
[0047]9 霍耳 IC
[0048]10、10P、10M、10S、10T高耐压马达驱动用半导体装置
[0049]1r、10TC、10SC高耐压马达驱动用半导体芯片
[0050]1MB电路半导体芯片
[0051]10MT1?10MT6半导体芯片
[0052]ZDP齐纳二极管芯片
[0053]11内部电源电路
[0054]14保护电路
[0055]15高压电源电压检测电路
[0056]16过电流检测电路
[0057]17过热保护电路
[0058]20引出布线
[0059]21线圈连接端子
[0060]22永磁铁转子
[0061]T1、T2、T3、T4、T5、T6 开关元件
[0062]D1、D2、D3、D4、D5、D6 回流二极管
[0063]ZD、ZDS 齐纳二极管
[0064]KT上支路驱动电路
[0065]KB下支路驱动电路
[0066]LG逻辑电路
[0067]CH电荷泵电路
[0068]Rs分流电阻
[0069]C1、C2、C5电源稳定化用电容器
[0070]C3、C4电荷泵电路用电容器
[0071]D7、D8电荷泵电路用二极管
[0072]P1、P2、P3 输出端子
[0073]P11、P12、P13、P14、P15、P16 控制信号输入端子
[0074]P21高压电源端子
[0075]P22接地端子
[0076]VDC高压电源电压
[0077]Vcc驱动电路用电源电压
[0078]Vsp速度指令信号
[0079]FG转速信号
[0080]VHU, VHV磁极位置信号
[0081]Vm微型计算机用电源电压
[0082]VB控制用半导体装置的电源电压
[0083]VUM, VVM, VWM 输出电压
[0084]VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB 控制信号
[0085]Vh高压电源电压信号
[0086]VCL时钟信号
[0087]VCP上支路驱动用电源电压
[0088]DP管芯焊盘
[0089]WI 导线
[0090]LEl高压电源端子用引线
[0091]LE2接地端子用引线
[0092]RE 树脂
【具体实施方式】
[0093]以下，利用附图，说明本发明的实施例。
[0094]【实施例1】
[0095]图1示出作为本发明的实施例1的马达驱动装置的电路构成。
[0096]图1的高耐压马达驱动用半导体装置1P (以下，称为高耐压马达驱动用IC)具备高耐压马达驱动用半导体芯片10’。高耐压马达驱动用IC的耐压例如为约100?约1000V。图1的Tl?T6是用于驱动3相马达的6个半导体开关元件，在图1的例子中为IGBT。图1的Dl?D6是与各个IGBT反并联地连接了的回流二极管。通过这些IGBT Tl?T6以及回流二极管Dl?D6，构成对马达施加电压而供给电力的电力变换电路，该电力变换电路在本实施例中是由3相电桥构成的逆变器电路。Pl?P3是3相交流输出端子，Pl是U相的输出端子，P2是V相的输出端子，P3是W相的输出端子。这些输出端子与马达的定子线圈8连接。
[0097]VUT是U相上支路控制信号，从U相上支路控制信号输入端子Pll被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — U相上支路IGBT Tl这样的路径而被传递到IGBT Tl的栅极。VVT是V相上支路控制信号，从V相上支路控制信号输入端子P12被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — V相上支路IGBT T2这样的路径而被传递到IGBT T2的栅极。VWT是W相上支路控制信号，从W相上支路控制信号输入端子P13被输入，通过逻辑电路LG—上支路驱动电路KT —W相上支路IGBT T3这样的路径而被传递到IGBT T3的栅极。
[0098]VUB是U相下支路控制信号，从U相下支路控制信号输入端子P14被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — U相下支路IGBT T4这样的路径而被传递到IGBT T4的栅极。VVB是V相下支路控制信号，从V相下支路控制信号输入端子P15被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — V相下支路IGBT T5这样的路径而被传递到IGBT T5的栅极。VWB是W相下支路控制信号，从W相下支路控制信号输入端子P16被输入，通过逻辑电路LG—下支路驱动电路KB —W相下支路IGBT T6这样的路径而被传递到IGBT T6的栅极。
[0099]这些6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VffB由控制用半导体装置7输出。然后，根据这些控制信号，上支路驱动电路KT对上支路IGBT Tl?T3进行导通/截止驱动，下支路驱动电路KB对下支路IGBT T4?T6进行导通/截止驱动。由此，逆变器电路将电源的直流电压变换成3相交流电压，输出到输出端子Pl?P3。然后，通过将该3相交流电压施加到定子线圈8，3相交流马达、例如永磁铁式同步马达被可变速驱动。
[0100]在图1中，控制用半导体装置7与高耐压马达驱动用IClOP为独立的半导体装置，作为控制信号而使用上述6个输入(VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB)，但也可以将控制用半导体装置7内置于高耐压马达驱动用IC10P，作为控制信号而采用马达的速度指令信号(Vsp) ο
[0101]在图1中，电荷泵电路CH是生成上支路IGBT驱动用电源电压VCP的电路。二极管D7、D8以及电容器C3、C4是电荷泵电路用的外置部件。用于使电荷泵电路CH动作的时钟信号VCL通过高耐压马达驱动用IClOP的内部电路(未图示)来生成，并且被输入到电荷泵电路CH。
[0102]内部电源电路11基于驱动电路用电源电压Vcc生成控制用半导体装置7的电源电压VB。如果分流电阻Rs的电压达到预先设定的电平以上，则过电流检测电路16向逻辑电路LG输出过电流探测信号。逻辑电路LG当接收到过电流探测信号，则对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB发送截止信号，使IGBT Tl?T6成为截止状态。由此，能够保护高耐压马达驱动用IClOP免受过电流的影响。
[0103]控制用半导体装置7从高耐压马达驱动用IClOP输入电源电压VBJf 6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VffB输出到高耐压马达驱动用IC10P。作为控制用半导体装置7，能够应用通用的微型计算机、马达控制用1C。
[0104]图1的C1、C2、C5是电源稳定化用电容器。
[0105]作为构成输出级的逆变器电路的半导体开关元件，在本实施例1中采用IGBTdS不限于IGBT，也可以是MOSFET、接合型双极型晶体管等其他半导体开关元件。另外，在图1中，作为上支路驱动方式，采用电荷泵方式，但也可以采用自举(bootstrap)方式等其他电路方式。
[0106]在本实施例1中，为了抑制由电涌电压所致的过电压，在高压电源电位VDC与接地电位之间，连接电涌吸收用的齐纳二极管。然后，形成有该齐纳二极管的半导体芯片ZDP(以下，称为齐纳二极管芯片)与高耐压马达驱动用半导体芯片10’被配置于一个封装体内。
[0107]此外，作为电涌吸收用的半导体元件，在本实施例1中采用齐纳二极管，但不限于此，也可以采用雪崩二极管、电涌电压吸收用二极管、TVS (Transient VoltageSuppressor，瞬态电压抑制器)二极管、稳压二极管等。此外，关于电涌吸收用的半导体元件，既可以通过一个半导体接合构造而得到所需的耐压，也可以通过串联连接多个半导体接合构造而得到。
[0108]接下来，说明高耐压马达驱动用IClOP的构造。
[0109]图2示出高耐压马达驱动用IClOP的安装构造的一个例子。
[0110]如图2所示，在高耐压马达驱动用IClOP中，在由金属导体构成的管芯焊盘DP上，通过焊锡、银膏等导电性接合材料来接合高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP。这些高耐压马达驱动用半导体芯片10’和齐纳二极管芯片ZDP、高压电源端子用引线LEl以及接地端子用引线LE2通过铝线等导电性的导线WI来相互电连接。由此，构成图1所示那样的高耐压马达驱动用IClOP的电路。
[0111]整个高耐压马达驱动用半导体芯片10’、整个齐纳二极管芯片ZDP、整个导线W1、高压电源端子用引线LEl的一部分、接地端子用引线LE2的一部分、以及管芯焊盘DP的一部分通过树脂RE而被树脂密封，例如通过掺合了二氧化硅等填充剂的环氧类树脂等而被树脂密封。由此，构成一个封装体。此外，在图2中，为了使作为逆变器电路的IGBT、二极管所产生的热向外部散热，管芯焊盘DP中的与高耐压马达驱动用半导体芯片10’以及齐纳二极管芯片ZDP的接合面相反一侧的背面暴露出来。在散热量少的情况下，或在能够得到足够的散热性的情况下，也可以不暴露管芯焊盘DP的背面。此外，为了连接外部电路，高压电源端子用引线LEl的一部分和接地端子用引线LE2的一部分从树脂RE暴露到外部。
[0112]在实施例1中，再生电流从定子线圈8流向电源VDC。在较长时间内，该再生电流在齐纳二极管芯片ZDP中也流过电流，所以齐纳二极管芯片ZDP发热，齐纳二极管芯片ZDP的温度上升。当齐纳二极管芯片ZDP的温度上升后，齐纳二极管芯片ZDP所产生的热经由管芯焊盘DP，被传递到高耐压马达驱动用半导体芯片10’。因此，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的温度也上升，达到大致与齐纳二极管芯片ZDP相同的温度。由此，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压、即图1中的IGBT Tl?T6以及二极管Dl?D6等高耐压元件的耐压的值相比温度上升前而变高。通过图3说明该情形。
[0113]图3关于高耐压马达驱动用半导体芯片10’以及齐纳二极管芯片ZDP，示出耐压的温度特性的一个例子。
[0114]如该图3所示，齐纳二极管芯片ZDP的耐压、即齐纳电压具有正的温度依赖性。因此，如果由于再生电流所致的发热而温度上升，则齐纳电压上升，被施加到高耐压马达驱动用半导体芯片10’的过电压增加。另一方面，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压也具有正的温度依赖性，所以如果由于齐纳二极管芯片ZDP的发热而高耐压马达驱动用半导体芯片10’的温度 上升，则高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压增加。因此，如果以在相同的温度下高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压大于齐纳电压的方式，来设定高耐压马达驱动用半导体芯片10’中的高耐压半导体元件的元件构造，则即使伴随着温度上升而齐纳电压增加，也能够保护高耐压马达驱动用半导体芯片10’免受过电压的影响。SP，使IGBT Tl?T6以及二极管Dl?D6等高耐压元件的耐压不依赖于半导体层的厚度、杂质浓度等元件构造地根据温度特性而增加，所以能够在抑制包括高耐压元件的高耐压马达驱动用半导体芯片10’所产生的电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐过电压性能。
[0115]此外，根据本发明者的研宄，上述那样的齐纳二极管的耐压的温度特性特别是在室温(例如，25°C )下的耐压为100V以上的情况下显著。
[0116]在本实施例中，高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP的高压电源端子与接地端子在高耐压马达驱动用IC10P内部连接，但也可以在印制电路板上通过印刷布线来连接一个或者两个端子。
[0117]【实施例2】
[0118]图4示出作为本发明的实施例2的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0119]本实施例2与图1所示的实施例1的主要不同点是:图1中的高耐压马达驱动用半导体芯片10’在图4中被分为多个半导体芯片。
[0120]在图4中，半导体芯片10MT1通过U相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT2通过V相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管构成，半导体芯片10MT3通过W相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成。另外，半导体芯片10MT4通过U相下支路M0SFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT5通过V相下支路M0SFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT6通过W相下支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成。过电压保护用的齐纳二极管形成于齐纳二极管芯片ZDP。通过其他电路、即对各MOSFET进行导通/截止驱动的驱动电路部来构成电路半导体芯片10MB。
[0121]作为回流二极管，除单个元件之外，也可以使用MOSFET内部的寄生二极管。各半导体芯片通过例如导线、内引线(引线的被树脂密封了的部分)来电连接。
[0122]在本实施例2中，半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB以及齐纳二极管芯片ZDP被配置在未图示的多个管芯焊盘DP上。通过利用例如掺合了二氧化硅等填充剂的环氧类树脂等来树脂密封这些管芯焊盘DP，从而构成具有与图2相同的外观的一个IC(图4的10M)。掺合了填充剂的环氧类树脂与在印制电路板上处于高耐压马达驱动用IClOM的周围的空气等相比的话，导热系数较大，为0.1?3W/mK左右。因此，即使半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB与齐纳二极管芯片ZDP被配置在多个管芯焊盘DP上，半导体芯片10MT1?10MT6的温度、电路半导体芯片1MB的温度与齐纳二极管芯片ZDP的温度也是相近的温度。因此，通过本实施例2，也与实施例1相同，能够在抑制电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用IC的耐过电压性能。
[0123]在本实施例中，半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB与齐纳二极管芯片ZDP被配置在多个管芯焊盘DP上，但即使被配置在I个管芯焊盘DP上，也能够得到同样的效果。
[0124]另外，在本实施例2中，构成逆变器电路的各半导体开关元件通过单独的半导体芯片来构成，所以高耐压马达驱动用IC的输出电力容易增大。
[0125]作为构成半导体芯片10MT1?10MT6的半导体开关元件，除图4所示的MOSFET之夕卜，还能够采用IGBT、接合型双极型晶体管等。另外，在图4中，作为上支路驱动方式，采用电荷泵方式，但也可以采用自举方式等其他方式。进而，在图4中，I个电路半导体芯片1MB具备3相量的驱动电路，但2个电路半导体芯片、即第I以及第2电路半导体芯片也可以分别具备3相量的上支路电路以及3相量的下支路电路。另外，3个电路半导体芯片、即第1、第2以及第3电路半导体芯片也可以分别具备U相的上下支路电路、V相的上下支路电路以及W相的上下支路电路。
[0126]【实施例3】
[0127]图5示出作为本发明的实施例3的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0128]本实施例与图1所示的实施例1的不同点是:由I个半导体芯片来构成实施例1的高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP。
[0129]在图5中，包括齐纳二极管ZDS的高耐压马达驱动用半导体装置被集成化于I个半导体芯片，所以IGBT Tl?T6、二极管Dl?D6等高耐压元件与齐纳二极管ZDS的温度为大致相同的温度。因此，根据本实施例3，也与实施例1相同，能够在抑制电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用IC的耐过电压性能。
[0130]另外，根据本实施例3，包括齐纳二极管ZDS的高耐压马达驱动用半导体装置被集成化于I个半导体芯片，所以能够使高耐压马达驱动用半导体装置小型化，或者能够简化引线、与管芯焊盘等的布线。
[0131]此外，关于本实施例3，作为开关元件，也能够采用M0SFET、接合型双极型晶体管等。另外，作为上支路驱动方式，能够采用自举方式等其他方式。
[0132]【实施例4】
[0133]图6示出作为本发明的实施例4的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0134]在本实施例4中，与图1所示的实施例1不同，高耐压马达驱动用IClOT具备过热保护电路17。过热保护电路17被设置于高耐压马达驱动用半导体芯片10TC。如果由于齐纳二极管的发热，高耐压马达驱动用IClOT的温度上升而达到预先设定的过热保护动作温度以上，则过热保护电路17对逻辑电路LG发出过热检测信号。逻辑电路LG当接收到过热检测信号，则使对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB的控制信号成为截止状态。由此，U相、V相、W相这些所有相的上下支路的IGBT成为截止状态，高耐压马达驱动用IClOT成为过热保护功能动作状态。如果高耐压马达驱动用IClOT的温度降低至过热保护恢复温度，则过热保护电路17对逻辑电路LG发出解除信号。逻辑电路LG当接收到解除信号，则使对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB的控制信号恢复到正常状态。由此，高耐压马达驱动用IClOT的过热保护功能动作状态被解除。
[0135]这样，根据本实施例4，在由于齐纳二极管的发热而高耐压马达驱动用IClOT的温度过度上升了的情况下，能够防止由过热所致的高耐压马达驱动用IClOT的故障，可靠性提尚。
[0136]【实施例5】
[0137]图7是示出作为本发明的实施例5的马达的构成的概要性装配图。此外，在图7中，示出主要的部件，为了简化而省略了其他外围部件、详细的布线构成等的图示(后述的图8也一样)。
[0138]图7的马达是无电刷(brushless)马达等3相永磁铁式同步马达，应用包括基于实施例1至实施例4的某一个的高耐压马达驱动用IC的马达驱动装置。
[0139]如图7所示，控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、高压电源电压检测电路15、分流电阻Rs以及霍耳IC9被配置于马达内置基板6上。另外，在马达的框体下部5B嵌入马达的定子线圈8。在定子线圈8的内部设有适当的间隙地设置永磁铁转子22，以使得永磁铁转子22不接触到定子线圈8。马达内置基板6被设置在永磁铁转子22的上部。配置于马达内置基板6的霍耳IC9为了易于检测出永磁铁转子22的磁极位置，被配置于马达内置基板6中的永磁铁转子22—侧的表面(在图7中为下侧的表面)。控制用半导体装置7、高压电源电压检测电路15以及分流电阻Rs被配置于马达内置基板6中的永磁铁转子22 一侧的表面(在图7中为下侧的表面)，高耐压马达用驱动IClO被配置于马达内置基板6中的与永磁铁转子22相反一侧的表面(在图7中为上侧的表面)。
[0140]在马达内置基板6中配置线圈连接端子21，通过锡焊，定子线圈8与线圈连接端子21连接。通过锡焊将引出布线20连接到马达内置基板6。引出布线20由VDC用布线、Vcc用布线、Vsp (速度指令信号)用布线、FG(转速信号)用布线、以及GND(接地)用布线这5根布线构成。马达的框体上部5A被盖状地设置在马达内置基板6的上部。因此，在组装了马达的状态下，马达内置基板6被配置于由马达的框体上部5A与马达的框体下部5B构成的马达框体的内部。
[0141]通过上述构成，能够通过被配置于马达内置基板6的高耐压马达驱动用IClOPji马达的定子线圈8施加电压。
[0142]根据本实施例，通过内置包括基于实施例1至实施例4的某一个的高 耐压马达驱动用IC的马达驱动装置，从而当将马达连接到电源之后，能够无需采用单独的驱动装置而根据速度指令对马达进行可变速驱动。因此，能够使空调机等马达应用装置小型化。另外，马达驱动装置部的耐过电压性能提高，所以马达的可靠性提高。
[0143]图8是示出作为上述实施例5的一个变形例的马达的构成的概要性装配图。在图8的变形例子中，不采用图7所示的马达的框体下部5B，取而代之采用通过树脂而被模塑了的定子线圈5C。
[0144]图9是示出作为上述实施例5的另一个变形例的马达的构成的概要性外观图。在图9的变形例子中，不采用图7所示的马达的框体上部5A与马达的框体下部5B，取而代之，具备定子线圈8和马达内置基板6通过树脂而被模塑而得到的模塑部
[0145]【实施例6】
[0146]图10示出作为本发明的实施例6的马达驱动系统的电路构成。此外，在图10中，示出主要的电路构成，还存在为了简化而未记载的电路部分。
[0147]在本实施例6中，电源电路2对商用电源I的交流电压进行整流或者电力变换，生成直流电压VDC、Vcc以及Vm。VDC是例如约141V?约450V的高电压，被用作马达的逆变器驱动用的高压电源电压。Vcc例如是约15V，是由高耐压马达驱动用IClOP使用的上下支路驱动电路等的驱动电路用电源电压。Vm是微型计算机3用的电源电压，例如为约2V?约5.5V。电源电路2与微型计算机3被配置于印制电路板等第I电路基板4上。
[0148]微型计算机3输出速度指令信号Vsp，输入由马达5输出的转速信号FG。微型计算机3根据该速度指令信号Vsp调整马达5的转速。作为速度指令信号Vsp，有时采用模拟信号，也有时采用脉冲信号。在图10中，Vsp线与FG线通过布线而直接连接于微型计算机3与控制用半导体装置7之间，但也可以经由光耦合器、缓冲电路而连接。也可以微型计算机3输出脉冲状的速度指令信号，通过由电容器与电阻构成的CR积分电路将该信号变换成模拟信号，将模拟的速度指令信号输入到控制用半导体装置7。
[0149]马达内置基板6内置于马达5。控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、霍耳IC9、分流电阻Rs以及高压电源电压检测电路15被配置在马达内置基板6上。
[0150]此外，作为马达5，采用图7、8、9的某一个所示的马达。
[0151]虽未图示，但作为霍耳IC9的电源电压，采用Vcc或VB。也可以不采用霍耳IC9，而采用成本更低的霍耳元件。霍耳IC9、霍耳元件作为磁极位置检测器进行动作，输出表示马达5的永磁铁转子的位置的磁极位置信号。在霍耳元件的情况下，各霍耳元件的输出电压是2个端子之间的电压。通常霍耳元件的输出电压是IV以下的微小电压，所以采用放大器来放大信号。在图10中，作为磁极位置检测器采用了 2个霍耳1C，但磁极位置检测器也可以是3个或I个。
[0152]对控制用半导体装置7，输入电源电压VB、来自微型计算机3的速度指令信号Vsp、来自高压电源电压检测电路15的高压电源电压信号Vh、以及来自霍耳IC9的磁极位置信号VHU和VHV。另外，控制用半导体装置7向高耐压马达驱动用IClOP输出控制信号VU、W、Vff,向微型计算机3输出转速信号FG。
[0153]VB是控制用半导体装置7的电源电压，例如为约2V?约7.5V。在图10中，VB在高耐压马达驱动用IClOP的内部生成，但也可以通过外部的调节器、齐纳二极管等而由Vcc而生成。另外，在马达5的内部，也可以不生成控制用半导体装置7用的电源电压，取而代之，将第I电路基板4上的Vm输入到控制用半导体装置7。
[0154]在图10中，高耐压马达驱动用IClOP的内部仅记载了内部电源电路11、保护电路14，但详细的构成与实施例1至4的某一个相同。
[0155]马达5的定子线圈8与高耐压马达驱动用IClOP的输出端子连接。分流电阻Rs连接于高耐压马达驱动用IClOP的下支路开关元件与接地电位之间。分流电阻Rs用于检测出例如IGBT等开关元件中流过的主电流的电流值。
[0156]高压电源电压检测电路15与高压电源电压VDC连接，将高压电源电压VDC的电压信息输出为高压电源电压信号Vh。在图10的例子中，采用串联连接了的2个电阻，将高压电源电压VDC分割而变换成低的电压Vh并输出。
[0157]此外，也能够不将控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、高压电源电压检测电路15以及分流电阻Rs配置在马达内置基板6上，而是配置在第I电路基板4上。
[0158]根据本实施例10，作为高耐压马达驱动用IClOP而应用实施例1?4的某一个，所以马达驱动系统的耐过电压性能提高。
[0159]作为图10所示的马达驱动系统的应用例，有空调机。空调机具备设置有压缩制冷剂的压缩机、室外换热器以及对室外换热器送风的室外机风机马达的室外机，并且具备设置有室内换热器以及对室内换热器送风的室内机风机马达的室内机，通过阀切换制冷剂的流动方向来进行供冷或者供暖。
[0160]作为驱动这些室外机风机马达或室内机风机马达中的某一个或两个的系统，采用图10所示的马达驱动系统。由此，针对过电压的空调机的可靠性提高。另外，如图10所示的马达驱动系统那样，通过采用搭载了高耐压马达驱动用IClOP等的马达内置基板6，即，通过作为风机马达而采用图7、8、9的某一个所示的马达，能够使室外机或室内机小型化。
[0161]此外，本发明不限定于上述的实施例1?6，包括各种变形例。例如，上述的各实施例是为了容易理解本发明而详细地说明了的，不一定限定于具备所说明的全部构成。进而，关于各实施例的构成的一部分，能够进行其他构成的追加、删除、置换。
[0162]例如，供给用于驱动马达的电力的3相逆变器电路也可以是具备单相逆变器电路等的其他电力变换电路。另外，马达不限于永磁铁式同步马达，也可以是通过交流电力而进行动作的其他马达。
【主权项】
1.一种半导体装置，该半导体装置具备通过多个半导体开关元件的切换来输出用于驱动马达的电力的电力变换电路、以及驱动所述多个半导体开关元件的驱动电路，所述半导体装置的特征在于， 具备连接于所述电力变换电路的电源电位与接地电位之间的电涌吸收用的半导体元件， 所述电力变换电路、所述驱动电路、以及所述半导体元件被树脂密封，以构成一个封装体。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 由于所述半导体元件的发热，所述电力变换电路、所述驱动电路以及所述半导体元件的温度上升。3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于， 在相同的温度下，所述开关元件的耐压比所述半导体元件的耐压大，所述多个半导体开关元件的耐压以及所述半导体元件的耐压都具有正的温度依赖性。4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述电力变换电路以及所述驱动电路被设置于第I半导体芯片，所述半导体元件被设置于第2半导体芯片。5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I半导体芯片以及所述第2半导体芯片被配置在由导体构成的管芯焊盘上。6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述多个半导体开关元件被设置于多个第I半导体芯片，所述驱动电路被设置于第2半导体芯片，所述半导体元件被设置于第3半导体芯片。7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述电力变换电路、所述驱动电路以及所述半导体元件被设置于第I半导体芯片。8.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述半导体装置具备过热保护电路，该过热保护电路如果检测到规定的温度以上的温度，则发出检测信号， 根据所述检测信号，多个所述开关元件成为截止状态。9.一种马达，该马达内置有对定子线圈施加电压的马达驱动用半导体装置，所述马达的特征在于， 所述马达驱动用半导体装置由根据权利要求1或2所述的半导体装置构成。10.一种空调机，该空调机具备室外机以及室内机，并且所述室外机或所述室内机具有风机马达，所述空调机的特征在于， 所述风机马达由根据权利要求9所述的马达构成。
【专利摘要】本发明涉及半导体装置以及采用它的马达和空调机，提供能够抑制电力损失的增加并且提高耐过电压性能的马达驱动用的半导体装置。该半导体装置具备通过多个半导体开关元件(T1～T6)的切换来输出用于驱动马达的电力的逆变器电路、以及驱动多个半导体开关元件(T1～T6)的驱动电路(KT、KB)，并且具备连接于逆变器电路的电源电位(VDC)与接地电位之间的电涌吸收用的齐纳二极管(ZDP)。逆变器电路、驱动电路(KT、KB)以及齐纳二极管(ZDP)被树脂密封，以构成一个封装体，由于齐纳二极管(ZDP)的发热，与齐纳二极管(ZDP)一起逆变器电路以及驱动电路的温度也上升。
【IPC分类】H02M1/32, H02P27/06, H01L25/16
【公开号】CN104901604
【申请号】CN201510086410
【发明人】松村和刚, 樱井健司, 前田大辅
【申请人】株式会社日立功率半导体
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月17日
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够应用于马达驱动的半导体装置以及采用它的马达和空调机。
【背景技术】
[0002]近年来，通过由功率半导体开关元件构成的逆变器电路来对交流马达进行可变速驱动。已知一种通过I个半导体芯片或者多个半导体芯片的半导体集成电路来构成包括该逆变器电路及其控制电路的马达驱动装置，使马达驱动装置小型化的技术(例如，参照专利文献I)。
[0003]使用图11，说明基于上述现有技术的高耐压马达驱动用半导体装置的一个例子。
[0004]图11的高耐压马达驱动用半导体装置10 (以下，称为高耐压马达驱动用IC)具备高耐压马达驱动用半导体芯片10’。图11的Tl?T6是用于驱动3相马达的6个开关元件，在图11的例子中是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。Dl?D6是与各个IGBT反并联地连接了的回流二极管。Pl是U相的输出端子，P2是V相的输出端子，P3是W相的输出端子。这些输出端子与马达的定子线圈8连接。
[0005]VUT是U相上支路控制信号，从U相上支路控制信号输入端子Pll被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — U相上支路IGBT Tl这样的路径而被传递。VVT是V相上支路控制信号，从V相上支路控制信号输入端子P12被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — V相上支路IGBT T2这样的路径而被传递。VWT是W相上支路控制信号，从W相上支路控制信号输入端子P13被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — W相上支路IGBT T3这样的路径而被传递。
[0006]VUB是U相下支路控制信号，从U相下支路控制信号输入端子P14被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — U相下支路IGBT T4这样的路径而被传递。VVB是V相下支路控制信号，从V相下支路控制信号输入端子P15被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — V相下支路IGBT T5这样的路径而被传递。VWB是W相下支路控制信号，从W相下支路控制信号输入端子P16被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — W相下支路IGBT T6这样的路径而被传递。
[0007]上述6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB由控制用半导体装置7输出。
[0008]在图11中，电荷泵电路CH是生成上支路IGBT驱动用电源电压VCP的电路。二极管D7、D8以及电容器C3、C4是电荷泵电路用的外置部件。用于使电荷泵电路CH动作的时钟信号VCL由高耐压马达驱动用IClO的内部电路生成，被输入到电荷泵电路CH。
[0009]内部电源电路11基于驱动电路用电源电压Vcc来生成控制用半导体装置7的电源电压VB。如果分流电阻Rs的电压达到某个电平以上，则过电流检测电路16向逻辑电路LG输出过电流探测信号。
[0010]控制用半导体装置7从高耐压马达驱动用IClO输入电源电压VB，将6个控制信号VUT, VVT、VWT、VUB、VVB、VffB输出到高耐压马达驱动用IC10。
[0011]图11的C1、C2、C5是电源稳定化用电容器。
[0012]在上述那样的高耐压马达驱动用IClO中，如果对高压电源电压VDC施加由电涌电压等所致的过电压，则存在高耐压马达驱动用IC1故障的可能性。因此，在图11所示的现有技术中，为了防止由电涌电压所致的故障，在高压电源电位VDC与接地电位之间，以外置方式通过印制电路板上的布线连接齐纳二极管ZD。
[0013]现有技术文献
[0014]专利文献1:日本特开2008-228547号公报
【发明内容】
[0015]在上述现有技术中，通过在印制电路板上配置外置齐纳二极管，抑制由电涌电压所致的过电压。但是，在由于再生电流而产生过电压的情况下，与由电涌电压所致的过电压不同，在长时间内，在齐纳二极管中有电流流过。此时，齐纳电压具有较大的正的温度依赖性，所以伴随温度上升而变大。然后，如果齐纳电压超过高耐压马达驱动用IC的耐压，则存在高耐压马达驱动用IC发生故障的可能性。
[0016]为了防止这种情况，需要提高高耐压马达驱动用IC的耐压。为了提高高耐压马达驱动用IC的耐压，在高耐压马达驱动用IC内的被施加高电压的全部元件的元件构造中，需要使半导体层低浓度化或者变厚来提高耐压。但是，关于高耐压马达驱动用IC内的输出级元件(在图11中，是IGBT Tl?6以及二极管Dl?6)，耐压与发电损失是相互权衡(tradeoff)的关系，如果提高耐压，则发电损失增加。
[0017]因此，本发明提供能够抑制电力损失的增加并且提高耐过电压性能的半导体装置以及采用它的马达和空调机。
[0018]为了解决上述问题，基于本发明的半导体装置具备通过多个半导体开关元件的切换来输出用于驱动马达的电力的电力变换电路、以及驱动多个半导体开关元件的驱动电路，其中，该半导体装置具备连接于电力变换电路的电源电位与接地电位之间的电涌吸收用的半导体元件，电力变换电路、驱动电路、以及半导体元件被树脂密封，以构成一个封装体。
[0019]另外，基于本发明的马达内置有对定子线圈施加电压的马达驱动用半导体装置，作为该马达驱动用半导体装置，采用基于上述本发明的半导体装置。
[0020]进而，基于本发明的空调机具备室外机以及室内机，室外机或室内机具有风机马达，作为该风机马达，采用基于上述本发明的马达。
[0021]根据本发明，由于电涌吸收用半导体元件的发热而电力变换电路的半导体开关元件的温度上升，所以即使不改变元件构造，在温度上升时也能够提高半导体开关元件的耐压。由此，能够抑制半导体装置的电力损失的增加并且提高耐过电压性能。进而，根据基于本发明的半导体装置，马达、空调机的针对过电压的可靠性提高。
[0022]上述之外的问题、构成以及效果将通过以下的实施例的说明而明确。
【附图说明】
[0023]图1示出作为本发明的实施例1的马达驱动装置的电路构成。
[0024]图2示出高耐压马达驱动用IC的安装构造例。
[0025]图3示出高耐压马达驱动用半导体芯片以及齐纳二极管芯片中的耐压的温度特性例。
[0026]图4示出作为本发明的实施例2的马达驱动装置的电路构成。
[0027]图5示出作为本发明的实施例3的马达驱动装置的电路构成。
[0028]图6示出作为本发明的实施例4的马达驱动装置的电路构成。
[0029]图7是示出作为本发明的实施例5的马达的构成的概要性装配图。
[0030]图8是示出作为实施例5的一个变形例的马达的构成的概要性装配图。
[0031]图9是示出作为实施例5的另一个变形例的马达的构成的概要性外观图。
[0032]图10示出作为本发明的实施例6的马达驱动系统的电路构成。
[0033]图11示出基于现有技术的高耐压马达驱动用半导体装置的一个例子。
[0034]【符号说明】
[0035]I商用电源
[0036]2电源电路
[0037]3微型计算机
[0038]4电路基板
[0039]5 马达
[0040]5A框体上部
[0041]5B框体下部
[0042]5C定子线圈
[0043]5D模塑部
[0044]6马达内置基板
[0045]7控制用半导体装置
[0046]8定子线圈
[0047]9 霍耳 IC
[0048]10、10P、10M、10S、10T高耐压马达驱动用半导体装置
[0049]1r、10TC、10SC高耐压马达驱动用半导体芯片
[0050]1MB电路半导体芯片
[0051]10MT1?10MT6半导体芯片
[0052]ZDP齐纳二极管芯片
[0053]11内部电源电路
[0054]14保护电路
[0055]15高压电源电压检测电路
[0056]16过电流检测电路
[0057]17过热保护电路
[0058]20引出布线
[0059]21线圈连接端子
[0060]22永磁铁转子
[0061]T1、T2、T3、T4、T5、T6 开关元件
[0062]D1、D2、D3、D4、D5、D6 回流二极管
[0063]ZD、ZDS 齐纳二极管
[0064]KT上支路驱动电路
[0065]KB下支路驱动电路
[0066]LG逻辑电路
[0067]CH电荷泵电路
[0068]Rs分流电阻
[0069]C1、C2、C5电源稳定化用电容器
[0070]C3、C4电荷泵电路用电容器
[0071]D7、D8电荷泵电路用二极管
[0072]P1、P2、P3 输出端子
[0073]P11、P12、P13、P14、P15、P16 控制信号输入端子
[0074]P21高压电源端子
[0075]P22接地端子
[0076]VDC高压电源电压
[0077]Vcc驱动电路用电源电压
[0078]Vsp速度指令信号
[0079]FG转速信号
[0080]VHU, VHV磁极位置信号
[0081]Vm微型计算机用电源电压
[0082]VB控制用半导体装置的电源电压
[0083]VUM, VVM, VWM 输出电压
[0084]VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB 控制信号
[0085]Vh高压电源电压信号
[0086]VCL时钟信号
[0087]VCP上支路驱动用电源电压
[0088]DP管芯焊盘
[0089]WI 导线
[0090]LEl高压电源端子用引线
[0091]LE2接地端子用引线
[0092]RE 树脂
【具体实施方式】
[0093]以下，利用附图，说明本发明的实施例。
[0094]【实施例1】
[0095]图1示出作为本发明的实施例1的马达驱动装置的电路构成。
[0096]图1的高耐压马达驱动用半导体装置1P (以下，称为高耐压马达驱动用IC)具备高耐压马达驱动用半导体芯片10’。高耐压马达驱动用IC的耐压例如为约100?约1000V。图1的Tl?T6是用于驱动3相马达的6个半导体开关元件，在图1的例子中为IGBT。图1的Dl?D6是与各个IGBT反并联地连接了的回流二极管。通过这些IGBT Tl?T6以及回流二极管Dl?D6，构成对马达施加电压而供给电力的电力变换电路，该电力变换电路在本实施例中是由3相电桥构成的逆变器电路。Pl?P3是3相交流输出端子，Pl是U相的输出端子，P2是V相的输出端子，P3是W相的输出端子。这些输出端子与马达的定子线圈8连接。
[0097]VUT是U相上支路控制信号，从U相上支路控制信号输入端子Pll被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — U相上支路IGBT Tl这样的路径而被传递到IGBT Tl的栅极。VVT是V相上支路控制信号，从V相上支路控制信号输入端子P12被输入，通过逻辑电路LG —上支路驱动电路KT — V相上支路IGBT T2这样的路径而被传递到IGBT T2的栅极。VWT是W相上支路控制信号，从W相上支路控制信号输入端子P13被输入，通过逻辑电路LG—上支路驱动电路KT —W相上支路IGBT T3这样的路径而被传递到IGBT T3的栅极。
[0098]VUB是U相下支路控制信号，从U相下支路控制信号输入端子P14被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — U相下支路IGBT T4这样的路径而被传递到IGBT T4的栅极。VVB是V相下支路控制信号，从V相下支路控制信号输入端子P15被输入，通过逻辑电路LG —下支路驱动电路KB — V相下支路IGBT T5这样的路径而被传递到IGBT T5的栅极。VWB是W相下支路控制信号，从W相下支路控制信号输入端子P16被输入，通过逻辑电路LG—下支路驱动电路KB —W相下支路IGBT T6这样的路径而被传递到IGBT T6的栅极。
[0099]这些6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VffB由控制用半导体装置7输出。然后，根据这些控制信号，上支路驱动电路KT对上支路IGBT Tl?T3进行导通/截止驱动，下支路驱动电路KB对下支路IGBT T4?T6进行导通/截止驱动。由此，逆变器电路将电源的直流电压变换成3相交流电压，输出到输出端子Pl?P3。然后，通过将该3相交流电压施加到定子线圈8，3相交流马达、例如永磁铁式同步马达被可变速驱动。
[0100]在图1中，控制用半导体装置7与高耐压马达驱动用IClOP为独立的半导体装置，作为控制信号而使用上述6个输入(VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VWB)，但也可以将控制用半导体装置7内置于高耐压马达驱动用IC10P，作为控制信号而采用马达的速度指令信号(Vsp) ο
[0101]在图1中，电荷泵电路CH是生成上支路IGBT驱动用电源电压VCP的电路。二极管D7、D8以及电容器C3、C4是电荷泵电路用的外置部件。用于使电荷泵电路CH动作的时钟信号VCL通过高耐压马达驱动用IClOP的内部电路(未图示)来生成，并且被输入到电荷泵电路CH。
[0102]内部电源电路11基于驱动电路用电源电压Vcc生成控制用半导体装置7的电源电压VB。如果分流电阻Rs的电压达到预先设定的电平以上，则过电流检测电路16向逻辑电路LG输出过电流探测信号。逻辑电路LG当接收到过电流探测信号，则对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB发送截止信号，使IGBT Tl?T6成为截止状态。由此，能够保护高耐压马达驱动用IClOP免受过电流的影响。
[0103]控制用半导体装置7从高耐压马达驱动用IClOP输入电源电压VBJf 6个控制信号VUT、VVT、VWT、VUB、VVB、VffB输出到高耐压马达驱动用IC10P。作为控制用半导体装置7，能够应用通用的微型计算机、马达控制用1C。
[0104]图1的C1、C2、C5是电源稳定化用电容器。
[0105]作为构成输出级的逆变器电路的半导体开关元件，在本实施例1中采用IGBTdS不限于IGBT，也可以是MOSFET、接合型双极型晶体管等其他半导体开关元件。另外，在图1中，作为上支路驱动方式，采用电荷泵方式，但也可以采用自举(bootstrap)方式等其他电路方式。
[0106]在本实施例1中，为了抑制由电涌电压所致的过电压，在高压电源电位VDC与接地电位之间，连接电涌吸收用的齐纳二极管。然后，形成有该齐纳二极管的半导体芯片ZDP(以下，称为齐纳二极管芯片)与高耐压马达驱动用半导体芯片10’被配置于一个封装体内。
[0107]此外，作为电涌吸收用的半导体元件，在本实施例1中采用齐纳二极管，但不限于此，也可以采用雪崩二极管、电涌电压吸收用二极管、TVS (Transient VoltageSuppressor，瞬态电压抑制器)二极管、稳压二极管等。此外，关于电涌吸收用的半导体元件，既可以通过一个半导体接合构造而得到所需的耐压，也可以通过串联连接多个半导体接合构造而得到。
[0108]接下来，说明高耐压马达驱动用IClOP的构造。
[0109]图2示出高耐压马达驱动用IClOP的安装构造的一个例子。
[0110]如图2所示，在高耐压马达驱动用IClOP中，在由金属导体构成的管芯焊盘DP上，通过焊锡、银膏等导电性接合材料来接合高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP。这些高耐压马达驱动用半导体芯片10’和齐纳二极管芯片ZDP、高压电源端子用引线LEl以及接地端子用引线LE2通过铝线等导电性的导线WI来相互电连接。由此，构成图1所示那样的高耐压马达驱动用IClOP的电路。
[0111]整个高耐压马达驱动用半导体芯片10’、整个齐纳二极管芯片ZDP、整个导线W1、高压电源端子用引线LEl的一部分、接地端子用引线LE2的一部分、以及管芯焊盘DP的一部分通过树脂RE而被树脂密封，例如通过掺合了二氧化硅等填充剂的环氧类树脂等而被树脂密封。由此，构成一个封装体。此外，在图2中，为了使作为逆变器电路的IGBT、二极管所产生的热向外部散热，管芯焊盘DP中的与高耐压马达驱动用半导体芯片10’以及齐纳二极管芯片ZDP的接合面相反一侧的背面暴露出来。在散热量少的情况下，或在能够得到足够的散热性的情况下，也可以不暴露管芯焊盘DP的背面。此外，为了连接外部电路，高压电源端子用引线LEl的一部分和接地端子用引线LE2的一部分从树脂RE暴露到外部。
[0112]在实施例1中，再生电流从定子线圈8流向电源VDC。在较长时间内，该再生电流在齐纳二极管芯片ZDP中也流过电流，所以齐纳二极管芯片ZDP发热，齐纳二极管芯片ZDP的温度上升。当齐纳二极管芯片ZDP的温度上升后，齐纳二极管芯片ZDP所产生的热经由管芯焊盘DP，被传递到高耐压马达驱动用半导体芯片10’。因此，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的温度也上升，达到大致与齐纳二极管芯片ZDP相同的温度。由此，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压、即图1中的IGBT Tl?T6以及二极管Dl?D6等高耐压元件的耐压的值相比温度上升前而变高。通过图3说明该情形。
[0113]图3关于高耐压马达驱动用半导体芯片10’以及齐纳二极管芯片ZDP，示出耐压的温度特性的一个例子。
[0114]如该图3所示，齐纳二极管芯片ZDP的耐压、即齐纳电压具有正的温度依赖性。因此，如果由于再生电流所致的发热而温度上升，则齐纳电压上升，被施加到高耐压马达驱动用半导体芯片10’的过电压增加。另一方面，高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压也具有正的温度依赖性，所以如果由于齐纳二极管芯片ZDP的发热而高耐压马达驱动用半导体芯片10’的温度 上升，则高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压增加。因此，如果以在相同的温度下高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐压大于齐纳电压的方式，来设定高耐压马达驱动用半导体芯片10’中的高耐压半导体元件的元件构造，则即使伴随着温度上升而齐纳电压增加，也能够保护高耐压马达驱动用半导体芯片10’免受过电压的影响。SP，使IGBT Tl?T6以及二极管Dl?D6等高耐压元件的耐压不依赖于半导体层的厚度、杂质浓度等元件构造地根据温度特性而增加，所以能够在抑制包括高耐压元件的高耐压马达驱动用半导体芯片10’所产生的电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用半导体芯片10’的耐过电压性能。
[0115]此外，根据本发明者的研宄，上述那样的齐纳二极管的耐压的温度特性特别是在室温(例如，25°C )下的耐压为100V以上的情况下显著。
[0116]在本实施例中，高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP的高压电源端子与接地端子在高耐压马达驱动用IC10P内部连接，但也可以在印制电路板上通过印刷布线来连接一个或者两个端子。
[0117]【实施例2】
[0118]图4示出作为本发明的实施例2的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0119]本实施例2与图1所示的实施例1的主要不同点是:图1中的高耐压马达驱动用半导体芯片10’在图4中被分为多个半导体芯片。
[0120]在图4中，半导体芯片10MT1通过U相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT2通过V相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管构成，半导体芯片10MT3通过W相上支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成。另外，半导体芯片10MT4通过U相下支路M0SFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT5通过V相下支路M0SFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成，半导体芯片10MT6通过W相下支路MOSFET、以及与其反并联地连接了的回流二极管而构成。过电压保护用的齐纳二极管形成于齐纳二极管芯片ZDP。通过其他电路、即对各MOSFET进行导通/截止驱动的驱动电路部来构成电路半导体芯片10MB。
[0121]作为回流二极管，除单个元件之外，也可以使用MOSFET内部的寄生二极管。各半导体芯片通过例如导线、内引线(引线的被树脂密封了的部分)来电连接。
[0122]在本实施例2中，半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB以及齐纳二极管芯片ZDP被配置在未图示的多个管芯焊盘DP上。通过利用例如掺合了二氧化硅等填充剂的环氧类树脂等来树脂密封这些管芯焊盘DP，从而构成具有与图2相同的外观的一个IC(图4的10M)。掺合了填充剂的环氧类树脂与在印制电路板上处于高耐压马达驱动用IClOM的周围的空气等相比的话，导热系数较大，为0.1?3W/mK左右。因此，即使半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB与齐纳二极管芯片ZDP被配置在多个管芯焊盘DP上，半导体芯片10MT1?10MT6的温度、电路半导体芯片1MB的温度与齐纳二极管芯片ZDP的温度也是相近的温度。因此，通过本实施例2，也与实施例1相同，能够在抑制电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用IC的耐过电压性能。
[0123]在本实施例中，半导体芯片10MT1?10MT6、电路半导体芯片1MB与齐纳二极管芯片ZDP被配置在多个管芯焊盘DP上，但即使被配置在I个管芯焊盘DP上，也能够得到同样的效果。
[0124]另外，在本实施例2中，构成逆变器电路的各半导体开关元件通过单独的半导体芯片来构成，所以高耐压马达驱动用IC的输出电力容易增大。
[0125]作为构成半导体芯片10MT1?10MT6的半导体开关元件，除图4所示的MOSFET之夕卜，还能够采用IGBT、接合型双极型晶体管等。另外，在图4中，作为上支路驱动方式，采用电荷泵方式，但也可以采用自举方式等其他方式。进而，在图4中，I个电路半导体芯片1MB具备3相量的驱动电路，但2个电路半导体芯片、即第I以及第2电路半导体芯片也可以分别具备3相量的上支路电路以及3相量的下支路电路。另外，3个电路半导体芯片、即第1、第2以及第3电路半导体芯片也可以分别具备U相的上下支路电路、V相的上下支路电路以及W相的上下支路电路。
[0126]【实施例3】
[0127]图5示出作为本发明的实施例3的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0128]本实施例与图1所示的实施例1的不同点是:由I个半导体芯片来构成实施例1的高耐压马达驱动用半导体芯片10’与齐纳二极管芯片ZDP。
[0129]在图5中，包括齐纳二极管ZDS的高耐压马达驱动用半导体装置被集成化于I个半导体芯片，所以IGBT Tl?T6、二极管Dl?D6等高耐压元件与齐纳二极管ZDS的温度为大致相同的温度。因此，根据本实施例3，也与实施例1相同，能够在抑制电力损失的增加的同时，提高高耐压马达驱动用IC的耐过电压性能。
[0130]另外，根据本实施例3，包括齐纳二极管ZDS的高耐压马达驱动用半导体装置被集成化于I个半导体芯片，所以能够使高耐压马达驱动用半导体装置小型化，或者能够简化引线、与管芯焊盘等的布线。
[0131]此外，关于本实施例3，作为开关元件，也能够采用M0SFET、接合型双极型晶体管等。另外，作为上支路驱动方式，能够采用自举方式等其他方式。
[0132]【实施例4】
[0133]图6示出作为本发明的实施例4的马达驱动装置的电路构成。此外，对于与实施例I相同的构成要素，附加与图1相同的符号，并且省略详细的说明。
[0134]在本实施例4中，与图1所示的实施例1不同，高耐压马达驱动用IClOT具备过热保护电路17。过热保护电路17被设置于高耐压马达驱动用半导体芯片10TC。如果由于齐纳二极管的发热，高耐压马达驱动用IClOT的温度上升而达到预先设定的过热保护动作温度以上，则过热保护电路17对逻辑电路LG发出过热检测信号。逻辑电路LG当接收到过热检测信号，则使对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB的控制信号成为截止状态。由此，U相、V相、W相这些所有相的上下支路的IGBT成为截止状态，高耐压马达驱动用IClOT成为过热保护功能动作状态。如果高耐压马达驱动用IClOT的温度降低至过热保护恢复温度，则过热保护电路17对逻辑电路LG发出解除信号。逻辑电路LG当接收到解除信号，则使对上支路驱动电路KT以及下支路驱动电路KB的控制信号恢复到正常状态。由此，高耐压马达驱动用IClOT的过热保护功能动作状态被解除。
[0135]这样，根据本实施例4，在由于齐纳二极管的发热而高耐压马达驱动用IClOT的温度过度上升了的情况下，能够防止由过热所致的高耐压马达驱动用IClOT的故障，可靠性提尚。
[0136]【实施例5】
[0137]图7是示出作为本发明的实施例5的马达的构成的概要性装配图。此外，在图7中，示出主要的部件，为了简化而省略了其他外围部件、详细的布线构成等的图示(后述的图8也一样)。
[0138]图7的马达是无电刷(brushless)马达等3相永磁铁式同步马达，应用包括基于实施例1至实施例4的某一个的高耐压马达驱动用IC的马达驱动装置。
[0139]如图7所示，控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、高压电源电压检测电路15、分流电阻Rs以及霍耳IC9被配置于马达内置基板6上。另外，在马达的框体下部5B嵌入马达的定子线圈8。在定子线圈8的内部设有适当的间隙地设置永磁铁转子22，以使得永磁铁转子22不接触到定子线圈8。马达内置基板6被设置在永磁铁转子22的上部。配置于马达内置基板6的霍耳IC9为了易于检测出永磁铁转子22的磁极位置，被配置于马达内置基板6中的永磁铁转子22—侧的表面(在图7中为下侧的表面)。控制用半导体装置7、高压电源电压检测电路15以及分流电阻Rs被配置于马达内置基板6中的永磁铁转子22 一侧的表面(在图7中为下侧的表面)，高耐压马达用驱动IClO被配置于马达内置基板6中的与永磁铁转子22相反一侧的表面(在图7中为上侧的表面)。
[0140]在马达内置基板6中配置线圈连接端子21，通过锡焊，定子线圈8与线圈连接端子21连接。通过锡焊将引出布线20连接到马达内置基板6。引出布线20由VDC用布线、Vcc用布线、Vsp (速度指令信号)用布线、FG(转速信号)用布线、以及GND(接地)用布线这5根布线构成。马达的框体上部5A被盖状地设置在马达内置基板6的上部。因此，在组装了马达的状态下，马达内置基板6被配置于由马达的框体上部5A与马达的框体下部5B构成的马达框体的内部。
[0141]通过上述构成，能够通过被配置于马达内置基板6的高耐压马达驱动用IClOPji马达的定子线圈8施加电压。
[0142]根据本实施例，通过内置包括基于实施例1至实施例4的某一个的高 耐压马达驱动用IC的马达驱动装置，从而当将马达连接到电源之后，能够无需采用单独的驱动装置而根据速度指令对马达进行可变速驱动。因此，能够使空调机等马达应用装置小型化。另外，马达驱动装置部的耐过电压性能提高，所以马达的可靠性提高。
[0143]图8是示出作为上述实施例5的一个变形例的马达的构成的概要性装配图。在图8的变形例子中，不采用图7所示的马达的框体下部5B，取而代之采用通过树脂而被模塑了的定子线圈5C。
[0144]图9是示出作为上述实施例5的另一个变形例的马达的构成的概要性外观图。在图9的变形例子中，不采用图7所示的马达的框体上部5A与马达的框体下部5B，取而代之，具备定子线圈8和马达内置基板6通过树脂而被模塑而得到的模塑部
[0145]【实施例6】
[0146]图10示出作为本发明的实施例6的马达驱动系统的电路构成。此外，在图10中，示出主要的电路构成，还存在为了简化而未记载的电路部分。
[0147]在本实施例6中，电源电路2对商用电源I的交流电压进行整流或者电力变换，生成直流电压VDC、Vcc以及Vm。VDC是例如约141V?约450V的高电压，被用作马达的逆变器驱动用的高压电源电压。Vcc例如是约15V，是由高耐压马达驱动用IClOP使用的上下支路驱动电路等的驱动电路用电源电压。Vm是微型计算机3用的电源电压，例如为约2V?约5.5V。电源电路2与微型计算机3被配置于印制电路板等第I电路基板4上。
[0148]微型计算机3输出速度指令信号Vsp，输入由马达5输出的转速信号FG。微型计算机3根据该速度指令信号Vsp调整马达5的转速。作为速度指令信号Vsp，有时采用模拟信号，也有时采用脉冲信号。在图10中，Vsp线与FG线通过布线而直接连接于微型计算机3与控制用半导体装置7之间，但也可以经由光耦合器、缓冲电路而连接。也可以微型计算机3输出脉冲状的速度指令信号，通过由电容器与电阻构成的CR积分电路将该信号变换成模拟信号，将模拟的速度指令信号输入到控制用半导体装置7。
[0149]马达内置基板6内置于马达5。控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、霍耳IC9、分流电阻Rs以及高压电源电压检测电路15被配置在马达内置基板6上。
[0150]此外，作为马达5，采用图7、8、9的某一个所示的马达。
[0151]虽未图示，但作为霍耳IC9的电源电压，采用Vcc或VB。也可以不采用霍耳IC9，而采用成本更低的霍耳元件。霍耳IC9、霍耳元件作为磁极位置检测器进行动作，输出表示马达5的永磁铁转子的位置的磁极位置信号。在霍耳元件的情况下，各霍耳元件的输出电压是2个端子之间的电压。通常霍耳元件的输出电压是IV以下的微小电压，所以采用放大器来放大信号。在图10中，作为磁极位置检测器采用了 2个霍耳1C，但磁极位置检测器也可以是3个或I个。
[0152]对控制用半导体装置7，输入电源电压VB、来自微型计算机3的速度指令信号Vsp、来自高压电源电压检测电路15的高压电源电压信号Vh、以及来自霍耳IC9的磁极位置信号VHU和VHV。另外，控制用半导体装置7向高耐压马达驱动用IClOP输出控制信号VU、W、Vff,向微型计算机3输出转速信号FG。
[0153]VB是控制用半导体装置7的电源电压，例如为约2V?约7.5V。在图10中，VB在高耐压马达驱动用IClOP的内部生成，但也可以通过外部的调节器、齐纳二极管等而由Vcc而生成。另外，在马达5的内部，也可以不生成控制用半导体装置7用的电源电压，取而代之，将第I电路基板4上的Vm输入到控制用半导体装置7。
[0154]在图10中，高耐压马达驱动用IClOP的内部仅记载了内部电源电路11、保护电路14，但详细的构成与实施例1至4的某一个相同。
[0155]马达5的定子线圈8与高耐压马达驱动用IClOP的输出端子连接。分流电阻Rs连接于高耐压马达驱动用IClOP的下支路开关元件与接地电位之间。分流电阻Rs用于检测出例如IGBT等开关元件中流过的主电流的电流值。
[0156]高压电源电压检测电路15与高压电源电压VDC连接，将高压电源电压VDC的电压信息输出为高压电源电压信号Vh。在图10的例子中，采用串联连接了的2个电阻，将高压电源电压VDC分割而变换成低的电压Vh并输出。
[0157]此外，也能够不将控制用半导体装置7、高耐压马达驱动用IC10P、高压电源电压检测电路15以及分流电阻Rs配置在马达内置基板6上，而是配置在第I电路基板4上。
[0158]根据本实施例10，作为高耐压马达驱动用IClOP而应用实施例1?4的某一个，所以马达驱动系统的耐过电压性能提高。
[0159]作为图10所示的马达驱动系统的应用例，有空调机。空调机具备设置有压缩制冷剂的压缩机、室外换热器以及对室外换热器送风的室外机风机马达的室外机，并且具备设置有室内换热器以及对室内换热器送风的室内机风机马达的室内机，通过阀切换制冷剂的流动方向来进行供冷或者供暖。
[0160]作为驱动这些室外机风机马达或室内机风机马达中的某一个或两个的系统，采用图10所示的马达驱动系统。由此，针对过电压的空调机的可靠性提高。另外，如图10所示的马达驱动系统那样，通过采用搭载了高耐压马达驱动用IClOP等的马达内置基板6，即，通过作为风机马达而采用图7、8、9的某一个所示的马达，能够使室外机或室内机小型化。
[0161]此外，本发明不限定于上述的实施例1?6，包括各种变形例。例如，上述的各实施例是为了容易理解本发明而详细地说明了的，不一定限定于具备所说明的全部构成。进而，关于各实施例的构成的一部分，能够进行其他构成的追加、删除、置换。
[0162]例如，供给用于驱动马达的电力的3相逆变器电路也可以是具备单相逆变器电路等的其他电力变换电路。另外，马达不限于永磁铁式同步马达，也可以是通过交流电力而进行动作的其他马达。
【主权项】
1.一种半导体装置，该半导体装置具备通过多个半导体开关元件的切换来输出用于驱动马达的电力的电力变换电路、以及驱动所述多个半导体开关元件的驱动电路，所述半导体装置的特征在于， 具备连接于所述电力变换电路的电源电位与接地电位之间的电涌吸收用的半导体元件， 所述电力变换电路、所述驱动电路、以及所述半导体元件被树脂密封，以构成一个封装体。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 由于所述半导体元件的发热，所述电力变换电路、所述驱动电路以及所述半导体元件的温度上升。3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于， 在相同的温度下，所述开关元件的耐压比所述半导体元件的耐压大，所述多个半导体开关元件的耐压以及所述半导体元件的耐压都具有正的温度依赖性。4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述电力变换电路以及所述驱动电路被设置于第I半导体芯片，所述半导体元件被设置于第2半导体芯片。5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I半导体芯片以及所述第2半导体芯片被配置在由导体构成的管芯焊盘上。6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述多个半导体开关元件被设置于多个第I半导体芯片，所述驱动电路被设置于第2半导体芯片，所述半导体元件被设置于第3半导体芯片。7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述电力变换电路、所述驱动电路以及所述半导体元件被设置于第I半导体芯片。8.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 所述半导体装置具备过热保护电路，该过热保护电路如果检测到规定的温度以上的温度，则发出检测信号， 根据所述检测信号，多个所述开关元件成为截止状态。9.一种马达，该马达内置有对定子线圈施加电压的马达驱动用半导体装置，所述马达的特征在于， 所述马达驱动用半导体装置由根据权利要求1或2所述的半导体装置构成。10.一种空调机，该空调机具备室外机以及室内机，并且所述室外机或所述室内机具有风机马达，所述空调机的特征在于， 所述风机马达由根据权利要求9所述的马达构成。
【专利摘要】本发明涉及半导体装置以及采用它的马达和空调机，提供能够抑制电力损失的增加并且提高耐过电压性能的马达驱动用的半导体装置。该半导体装置具备通过多个半导体开关元件(T1～T6)的切换来输出用于驱动马达的电力的逆变器电路、以及驱动多个半导体开关元件(T1～T6)的驱动电路(KT、KB)，并且具备连接于逆变器电路的电源电位(VDC)与接地电位之间的电涌吸收用的齐纳二极管(ZDP)。逆变器电路、驱动电路(KT、KB)以及齐纳二极管(ZDP)被树脂密封，以构成一个封装体，由于齐纳二极管(ZDP)的发热，与齐纳二极管(ZDP)一起逆变器电路以及驱动电路的温度也上升。
【IPC分类】H02M1/32, H02P27/06, H01L25/16
【公开号】CN104901604
【申请号】CN201510086410
【发明人】松村和刚, 樱井健司, 前田大辅
【申请人】株式会社日立功率半导体
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月17日
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