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JP2003315373A - 電流検出装置及び半導体装置 - Google Patents

電流検出装置及び半導体装置

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Publication number
JP2003315373A
JP2003315373A JP2002115969A JP2002115969A JP2003315373A JP 2003315373 A JP2003315373 A JP 2003315373A JP 2002115969 A JP2002115969 A JP 2002115969A JP 2002115969 A JP2002115969 A JP 2002115969A JP 2003315373 A JP2003315373 A JP 2003315373A
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JP
Japan
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substrate
coil
current
conductor pattern
coils
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002115969A
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English (en)
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Ichiro Omura
一郎 大村
Tomokazu Domon
知一 土門
Kazuya Kotani
和也 小谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2002115969A priority Critical patent/JP2003315373A/ja
Priority to US10/417,180 priority patent/US20030214313A1/en
Publication of JP2003315373A publication Critical patent/JP2003315373A/ja
Priority to US11/255,976 priority patent/US7129692B2/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 極めてコンパクトで、正確且つ容易な電流の
測定が可能な電流検出装置及びこれを搭載した電力半導
体モジュールなどの半導体装置を提供することを目的と
する。 【解決手段】 第１のコイル（Ｃ）と、前記第１のコイ
ルと直列に接続された第２のコイル（Ｃ）と、を備え、
前記第１及び第２のコイルの間または、前記第１及び第
２のコイルのいずれかの近傍に配置された被測定体
（Ｓ）を流れる電流を検出可能とした電流検出装置であ
って、前記第１及び第２のコイルのそれぞれは、基板
（１０）の表面に設けられた第１の導体パターン（１
２）と、前記基板の裏面に設けられた第２の導体パター
ン（１２）と、前記第１の導体パターンと前記第２の導
体パターンとを接続する接続部（１４、１３）と、から
なることを特徴とする電流検出装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電流検出装置及び
半導体装置に関し、より詳細には、半導体装置やその他
各種の電気回路装置などにおいて、導体を流れる電流を
磁気誘導により検出する電流検出装置及びこれを用いた
半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置や各種の電気素子あるいは電
気回路において、導線あるいは導体を流れる電流をその
外側から検出するための電流検出装置が要求されてい
る。
【０００３】例えば、電力用半導体装置は、大容量化に
伴い、いわゆる「モジュール型」へと進化し、さらにモ
ジュールも大型になりつつある。そして、それに伴っ
て、大電流化・高速化など高性能化する際に、モジュー
ル内のインダクタンスなどの寄生因子による内部電流の
不均一などが、素子の破壊の原因として問題となりつつ
ある。
【０００４】これに対して、モジュール型半導体素子内
の電流の計測は、電流プローブを内部に挿入することが
できず、内部構造を作り変えなければ事実上不可能であ
った。一方で、モジュールの内部構造を変えると、イン
ダクタンス自体が変化してしまうため、測定の条件が変
わってしまう。そこで、モジュール内部の電極構造など
を変えずに測定するための、微小な電流プローブが必要
とされつつある。
【０００５】従来、ゲート電圧へのフィードバックや短
絡の検出のためには、「電流センス付き素子」を用いた
り、「ＣＴ（Current Transformer：電流トランス）
型」などと呼ばれる電流プローブによって電流を計測し
ていた。
【０００６】電流センス付き素子は、例えばＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）において開発
されている。これは、ＩＧＢＴチップの一部にエミッタ
を分離した部分を作り込んだ構造を有する。この素子の
場合、ゲートがオンの状態では、分離されたエミッタと
本当のエミッタとの間に挿入された抵抗における電圧降
下を検出することにより、主素子に流れている電流を見
積もることができる。
【０００７】しかし、この方式では、ＩＧＢＴのチップ
の一部にセンス部を作り込むため、次のような問題点が
ある。
【０００８】（１）チップ構造が複雑になる。
【０００９】（２）チップの実効面積が狭くなる。
【００１０】（３）センスＩＧＢＴのエミッタ抵抗の電
圧降下出力がばらつく。
【００１１】（４）実際に流れる電流と出力の間のリニ
アリティーが低い。
【００１２】（５）出力が絶縁されていない。
【００１３】上記（１）の結果、チップコストが上昇す
る。（２）の結果、流せる電流が小さくなる。（３）の
結果、測定精度が低下する。（４）の結果、検出回路の
設計が困難で複雑になる。（５）の結果、出力を絶縁す
るために、フォトカプラなどが必要だが、その結果、出
力が２値（「１」か「０」）になってしまい電流値など
のアナログ値は制御側にフィードバックできない。
【００１４】一方、ＣＴは、導体の周辺に発生する電流
磁束を磁気コアによって収束させ、コイルに生ずる電磁
誘導電流として検出するものである。しかし、磁気コア
は次のような問題点がある。
【００１５】（１） 大電流領域での磁気飽和を防止す
るためにＣＴが大型化する。
【００１６】（２） 形状等によって主回路のインダク
タンスが増加する。
【００１７】これら問題点のため、小型の半導体装置に
組み込んでその動作に影響を与えることなく電流を正確
に検出することが困難であった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の技術では、半導体装置などの内部において、その
動作に影響を及ぼすことなく、正確且つ容易に電流を測
定することは困難であった。
【００１９】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものであり、その目的は、極めてコンパクトで、
正確且つ容易な電流の測定が可能な電流検出装置及びこ
れを搭載した電力半導体モジュールなどの半導体装置を
提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の電流検出装置は、第１のコイルと、
前記第１のコイルと直列に接続された第２のコイルと、
を備え、前記第１及び第２のコイルの間または、前記第
１及び第２のコイルのいずれかの近傍に配置された被測
定体を流れる電流を検出可能とした電流検出装置であっ
て、前記第１及び第２のコイルのそれぞれは、基板の表
面に設けられた第１の導体パターンと、前記基板の裏面
に設けられた第２の導体パターンと、前記第１の導体パ
ターンと前記第２の導体パターンとを接続する接続部
と、からなることを特徴とする。
【００２１】上記構成によれば、極めてコンパクトで、
正確且つ容易な電流の測定が可能となる。
【００２２】また、本発明の第２の電流検出装置は、切
り欠きが設けられた基板と、前記切り欠きを挟んで前記
基板に形成された第１及び第２のコイルと、を備え、前
記第１及び第２のコイルのそれぞれは、前記基板の表面
に設けられた第１の導体パターンと、前記基板の裏面に
設けられた第２の導体パターンと、前記第１の導体パタ
ーンと前記第２の導体パターンとを接続する接続部と、
からなることを特徴とする。
【００２３】上記構成によれば、切り欠きに被測定体を
挿入することにより、極めてコンパクトで、正確且つ容
易な電流の測定が可能となる。
【００２４】また、本発明の第３の電流検出装置は、開
口が設けられた基板と、前記開口を挟んで前記基板に形
成された第１及び第２のコイルと、を備え、前記第１及
び第２のコイルのそれぞれは、前記基板の表面に設けら
れた第１の導体パターンと、前記基板の裏面に設けられ
た第２の導体パターンと、前記第１の導体パターンと前
記第２の導体パターンとを接続する接続部と、からなる
ことを特徴とする。
【００２５】上記構成によれば、開口に被測定体を挿入
することにより、極めてコンパクトで、正確且つ容易な
電流の測定が可能となる。
【００２６】また、本発明の第４の電流検出装置は、第
１のコイルが形成された第１の基板と、第２のコイルが
形成された第２の基板と、前記第１及び第２のコイルの
間に間隙が形成されるように前記第１の基板と前記第２
の基板との間に設けられたスペーサと、を備え、前記第
１のコイルは、前記第１の基板の表面に設けられた第１
の導体パターンと、前記第１の基板の裏面に設けられた
第２の導体パターンと、前記第１の導体パターンと前記
第２の導体パターンとを接続する接続部と、からなり、
前記第２のコイルは、前記第２の基板の表面に設けられ
た第１の導体パターンと、前記第２の基板の裏面に設け
られた第２の導体パターンと、前記第１の導体パターン
と前記第２の導体パターンとを接続する接続部と、から
なることを特徴とする。
【００２７】上記構成によれば、第１及び第２の基板の
間の間隙に被測定体を挿入することにより、極めてコン
パクトで、正確且つ容易な電流の測定が可能となる。
【００２８】上記第１乃至第４の電流検出装置におい
て、前記第１及び第２のコイルは、直列に接続されたも
のとすることができる。
【００２９】また、前記第１及び第２のコイルの間に設
けられた被測定体を流れる電流により形成される磁束に
より前記第１及び第２のコイルのそれぞれに生ずる電圧
が加算されるように、前記第１のコイルと前記第２のコ
イルとが接続されたものとすれば、測定電流を倍増さ
せ、且つ外来磁場などのノイズをキャンセルすることが
可能となる。
【００３０】また、前記接続部は、前記基板を貫通する
導体からなるものとすれば、いわゆるスルーホールによ
り確実且つ容易に形成することができる。
【００３１】また、前記接続部の少なくとも一部は、前
記基板の側面に形成された導体パターンからなるものと
すれば、側面配線技術により、コンパクト且つ高密度な
コイルの形成が可能である。
【００３２】また、前記第１のコイルと前記第２のコイ
ルとを接続する配線の少なくとも一部は、前記基板の内
部を延在してなるものすれば、外来ノイズに強く、外寸
をコンパクトに形成できる。
【００３３】また、前記第１及び第２のコイルに対して
並列に接続された抵抗をさらに備えたものとすれば、適
切な終端インピーダンスが得られる。
【００３４】また、前記第１及び第２のコイルに接続さ
れた積分回路をさらに備えたものとれすば、電流波形を
復元できるユニットが実現される。
【００３５】一方、本発明の半導体装置は、半導体素子
と、上記のいずれかの電流検出装置と、を備え、前記半
導体素子を流れる電流の少なくとも一部を前記電流検出
装置により検出可能としたことを特徴とする。
【００３６】上記構成によれば、電流モニタ機能を有す
る半導体装置をコンパクトに形成でき、各種のフィード
バックや緊急遮断動作を確実に行うことができる。
【００３７】また、前記第１及び第２のコイルが、前記
半導体素子に接続されたボンディング・ワイヤーを挟む
ように設けるとコンパクトな電流モニタが容易に実施で
きる。
【００３８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。
【００３９】図１は、本発明の実施の形態にかかる半導
体装置の構造を模式的に表す断面図である。
【００４０】図１は、本発明の実施の形態にかかる電流
検出装置のプローブ部を模式的に表した図である。すな
わち、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図、
（ｃ）は、その左側面図である。
【００４１】本具体例の場合、基板１０の表面及び裏面
に、導電体からなるパターン１２が形成されている。後
に詳述するように、基板１０の材料としては、樹脂やセ
ラミクスあるいはシリコンなど、各種の絶縁性あるいは
半絶縁性の材料を用いることができる。また、パターン
１２は、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、
金（Ａｕ）をはじめとする各種の金属や、これに準ずる
導電性の材料により形成することができる。
【００４２】そして、これらパターン１２は、基板１０
を貫通するスルーホール１４により、基板１０の表面側
と裏面側とが接続されている。ここで、スルーホール１
４は、基板１０の異なる層間のパターンを接続するため
に、基板１０を貫通する穴の内部に導体が充填されたも
のである。
【００４３】このように、基板１０の両面の形成された
パターン１２とこれらをそれぞれ接続するスルーホール
１４とにより、１対のコイル部Ｃが形成されている。
【００４４】また、基板１０は、その内部に導電層から
なる戻り配線１６を有する。この戻り配線１６は、一対
のコイル部のそれぞれの中心付近を通り、コイル部Ｃの
一端の近傍に至る。そして、この戻り配線１６は、１対
のコイル部を直列に接続するための結合配線１８に接続
されている。
【００４５】このようにして直列に接続された１対のコ
イル部Ｃの両端は、結合配線１８と同じ側に設けられた
出力取り出し端子２０に接続されている。後に詳述する
ように、この取り出し端子２０の両端には、図示しない
抵抗が並列に接続される。
【００４６】図１の具体例の場合、「コの字型」の平面
形状を有する基板１０上に、次のようにコイル部Ｃが形
成されている。すなわち、パターン１２のそれぞれがコ
イル部Ｃの中心軸に対して所定の角度で形成され、その
両端にスルーホール１４が形成されている。基板１０の
表側も裏側も、コイル部Ｃの中心軸に対してほぼ同じ角
度でパターン１２が形成されており、基板１０の表と裏
のパターン１２はスルーホール１４で電気的に接続され
ている。なお、後に詳述するように、スルーホール１４
の代わりに、基板１０の側面に導電体のパターンを形成
して、基板１０の表裏のパターン１２を接続しても良
い。
【００４７】そして、コの字型の基板１０の一対のコイ
ル部Ｃの間に、被測定体となる導体Ｓが設けられる。導
体Ｓの断面形状は、図１に例示したものには限定され
ず、一対のコイル部Ｃの間に挿入できるものであればよ
い。
【００４８】図２は、一対のコイル部Ｃの接続関係を例
示する模式図である。すなわち、これらコイル部Ｃは、
直列に接続され、これらコイル部Ｃに挟まれた部分に、
導体Ｓが挿入される。そして、戻り配線１６は、図２
（ａ）に表したように、コイル部Ｃのに設けてもよく、
あるいは図２（ｂ）に表したようにコイル部Ｃの内側に
設けてもよい。外部からの漏洩磁場などによるノイズに
対する耐ノイズ性の観点からは、図２（ｂ）に例示した
ように戻り配線１６をコイルの内側に設けることが望ま
しい。また、製造の容易さの点では、図２（ａ）に例示
したように戻り配線１６をコイルの外側に設けたほうが
有利である。
【００４９】図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように直
列接続された一対のコイルからなるコイル部Ｃは、被測
定導体Ｓを流れる電流が作る磁場の変化により、その両
端すなわち取り出し端子２０間に電圧を生じる。この電
圧は、取り出し端子２０に接続された抵抗Ｒの両端にお
いて測定することができる。
【００５０】図３は、コイル部Ｃにおいて生ずる電磁誘
導作用を表す模式図である。すなわち、被測定導体Ｓを
流れる電流Ｉにより、磁場Ｍが形成される。この磁場Ｍ
により、コイル部Ｃには、矢印で表した方向の電圧が生
ずる。このような電圧をコイルに並列に接続された抵抗
の両端で計測することにより、被測定導体Ｓを流れる電
流Ｉの微分値が得られる。この微分値は、例えば、積分
回路により、電流Ｉの電流波形に復元することができ
る。また、このような電流の微分値をそのまま用いて、
半導体素子や回路の制御を実行することもできる。
【００５１】ここで、被測定導体Ｓを流れる電流Ｉが２
つのコイル部Ｃの間において、２つのコイル部の中心軸
を含む平面に対してほぼ垂直に流れるように配置する
と、最も大きい出力が得られる。また２つのコイル部Ｃ
の間隔をなるべく狭くすることにより、被測定導体Ｓの
近傍に形成される強い電流磁界を拾うことができるの
で、大きい出力が得られる。
【００５２】また、本発明において得られる微分値ΔＩ
／ΔＴのΔＴは、コイル部ＣのインダクタンスＬとその
両端に接続される抵抗Ｒの時定数により決定され、出力
値は、インダクタンスＬが大きいほど大きく、抵抗Ｒが
小さいと小さくなってしまう。ここで、抵抗Ｒの値とコ
イルのインダクタンスＬの大きさは計測系に必要とされ
る時定数と、コイル部Ｃの大きさや巻き数などにより決
定される。
【００５３】従って、時間の精度（おくれなし）が必要
とされる場合は、出力を多少犠牲にして、小さいコイル
と小さい抵抗を用いればよい。逆に、出力が要求される
場合は、大きいコイルと大きい抵抗を用いればよい。
【００５４】また、図１あるいは図２に例示したよう
に、一対のコイル部の捲き方向は、被測定導体Ｓにより
生ずる誘導電圧が直列に接続されたそれぞれのコイル部
Ｃについて同方向となるようにされる。つまり、一方の
コイル部Ｃにおいて被測定導体Ｓの電流により生ずる誘
導電圧と、他方のコイル部Ｃにおいて被測定導体Ｓの電
流により生ずる誘導電圧とが、直列接続した時に、加算
されるように形成されている。このようにすれば、被測
定導体Ｓを流れる電流によりそれぞれのコイル部Ｃにお
いて生ずる誘導電圧を倍増して検出することができる。
【００５５】さらに、このようにすれば、これら一対の
コイル部の外側から印加される外部磁界に対して、それ
ぞれのコイル部Ｃに生ずる誘導電圧が逆方向に作用する
ので、直列接続により、キャンセルすることができる。
つまり、外部磁界に起因する測定誤差を抑制できる。
【００５６】図４は、本発明の電流検出装置の他の具体
例を表す模式図である。すなわち、本具体例の場合、電
気回路などが形成された基板１０の端部にスリット状の
切り欠きＧを設け、その両側にコイル部Ｃが形成されて
いる。この切り欠きＧに被測定導体Ｓを挿入することに
より、そこを流れる電流を測定することができる。ここ
で、切り欠きＧの形状は、スリット状には限定されず、
例えば、半円形状や正方形状など、被測定導体Ｓの断面
形状やサイズに応じて適宜決定することができる。
【００５７】本具体例の場合、基板１０の上に図示しな
い積分回路などの測定回路やゲート回路、制御回路、電
力主回路などの回路も形成し、コイル部Ｃの取り出し端
子２０をそのまま接続することができる。また、電力主
回路がプリント基板に形成され、被測定体Ｓがパターン
化されている場合は、被測定体Ｓとコイルとを同じ基板
上にパターン形成すると、コイルを別途作成するよりも
コンパクトでコストも下げることができ、効果的であ
る。
【００５８】また、図５に例示したように、基板１０に
スリット状などの穴Ｈを設け、その両側にコイル部Ｃを
形成してもよい。このようにすれば、穴Ｈを貫通する被
測定導体Ｓを流れる電流を測定することができる。な
お、本具体例の場合も、穴Ｈの形状は、スリット状には
限定されず、被測定導体Ｓの断面形状やサイズに応じて
適宜決定することができる。
【００５９】図６は、本発明の電流検出装置の他の具体
例を表す模式図である。
【００６０】本具体例の場合、複数の基板を貼り合わせ
てプローブが形成されている。すなわち、第１のコイル
部Ｃが形成された基板１０Ａと、第２のコイル部Ｃが形
成された基板１０Ｂとが、スペーサー１０Ｃを介して貼
り合わされている。そして、被測定導体Ｓを、これら基
板１０Ａと１０Ｂとの間隙に挿入する。なお、同図の具
体例においては、スペーサー１０Ｃをプローブの一端側
のみに設けたが、スペーサーをプローブ部Ｐの両側にそ
れぞれ設けて、この間に形成される開口に被策定体Ｓを
挿入するようにしてもよい。
【００６１】こうすることにより、コイル部Ｃを被測定
導体Ｓに対して、十分に近づけることができる。その結
果として、被測定導体Ｓの近傍に形成される高い密度の
電流磁界を拾うことができ、出力が増える。さらに、２
つのコイル部を接近させることにより、これらコイル部
Ｃが受ける外部磁界をほぼ同一にすることができる。そ
の結果として、周囲からの磁気ノイズ（例えば、図示し
ない他の配線の電流が形成する漏洩磁界など）の影響を
受けにくくなる。
【００６２】図７は、本発明におけるコイル部Ｃの具体
例を表す模式図である。すなわち、基板１０の表面に複
数のパターン１２が略平行に形成され、基板１０の裏面
側には、これとは逆方向に傾斜した複数のパターン１２
が略平行に形成されている。そして、これら表裏のパタ
ーン１２は、スルーホール１４により接続されて連続し
たコイル部Ｃを形成している。
【００６３】この時に、パターン１２の間隔を狭くして
パターン１２の数を大きくすると、コイル部Ｃの巻線数
を増やすことができ、電流検出の出力を上げることがで
きる。このために、隣接するスルーホール１４を図示の
如く互い違い状に配置するとよい。すなわち、現実の形
成プロセスを考慮すると、パターン１２の太さよりもス
ルーホール１４の径の方が大きくなる場合が多いので、
スルーホール１４を千鳥状に配置することにより、隣接
するパターン１２の間隔を狭くして、形成密度を高くす
ることができる。
【００６４】図８は、本発明におけるコイル部Ｃのもう
ひとつの具体例を表す模式図である。すなわち、本具体
例においては、基板１０の側面にパターン１３が形成さ
れ、このパターン１３によって、基板１０の表側と裏側
のパターン１２が接続されている。このように、スルー
ホール１４の代わりに側面のパターン１３を用いること
により、パターン１２を高い密度で形成することが容易
となる。
【００６５】図９は、本発明の電流検出装置を用いた測
定システムを例示する模式図である。すなわち、同図
（ａ）に例示した具体例の場合、コイル部Ｃの取り出し
端子２０からの信号は、同軸配線３０を介して積分回路
３４に入力され、積分処理が施されて被測定導体Ｓを流
れる電流波形が復元される。この波形は、例えば、同軸
配線３５を介してオシロスコープ３６などの計測器によ
り観察できる。
【００６６】また、図９（ｂ）に例示したように、コイ
ル部Ｃの取り出し端子２０からの信号をツイスト・ペア
配線３２を介して積分回路に入力してもよい。
【００６７】図１０は、本発明の電流検出装置を搭載し
た半導体装置の要部を表す模式図である。この半導体装
置は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような、電力制
御あるいはスイッチング用の半導体素子５０を有する。
【００６８】この半導体装置の内部または外部には図示
しないゲート制御回路が設けられ、パルス幅変調（Puls
e Width Modulation：ＰＷＭ）信号が供給される。この
ＰＷＭ信号はドライブ回路３９に入力され、その出力に
よって半導体素子５０のゲートが駆動されて、電力の制
御またはスイッチングを行う。
【００６９】そして、半導体素子５０の主電極（エミッ
タ、コレクタ、ソースまたはドレイン）に接続された導
体Ｓを流れる電流が、本発明の電流検出装置のプローブ
部Ｐにより検出される。そして、プローブ部Ｐの取り出
し端子２０に接続された抵抗Ｒの両端で測定される電圧
は、同軸配線３０を介して積分回路３４において電流波
形に復元される。
【００７０】このようにして得られた電流波形データ
は、比較回路３８において所定の制限電流値と比較され
る。比較回路３８は、例えば、入力された電流波形デー
タに含まれるオフセットを補償するためのオフセット・
キャンセル回路などを備えてもよい。具体的には、素子
がオフの状態で、積分回路のオフセットを設定したりす
ることができる。
【００７１】そして、比較回路３８は、例えば、積分回
路３４から出力された電流データが、所定の制限電流値
を超えた場合には、半導体素子５０が短絡したことを表
す短絡信号を出力する。ドライブ回路３９は、この短絡
信号を受け取ると、短絡時遮断ゲート信号を出力し、半
導体素子５０のゲートをオフ（off）にして電流を遮断
する。
【００７２】以上説明したように、本具体例の場合、半
導体素子５０の出力電流を電流検出装置でモニタし、短
絡状態などが発生すると、電流を即座に遮断することが
できる。そして、本発明の電流検出装置を用いることに
より、半導体素子５０の動作に影響を与えることなく、
その出力電流を正確にモニタすることができ、半導体装
置全体のサイズもコンパクトに維持できる。なお、プロ
ーブＰによる電流の計測場所は、コレクタ側には限定さ
れず、エミッタ側において測定しても良く、これら両方
において測定しても良い。
【００７３】図１１は、本発明の電流検出装置を搭載し
たもうひとつの半導体装置の要部を表す模式図である。
この半導体装置も、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのよ
うな、電力制御あるいはスイッチング用の半導体素子５
０を有する。
【００７４】この半導体装置においても、半導体素子５
０の出力電流を測定するプローブ部Ｐが設けられてい
る。そして、プローブ部Ｐから出力される電流微分値
は、増幅回路４０において増幅され、ＰＷＭ信号ととも
にドライブ回路４２に入力される。
【００７５】ドライブ回路４２は、増幅回路４０から入
力された電流微分信号（ｄＩ／ｄｔ）に基づいて、例え
ば、半導体素子５０の短絡を検出したり、半導体素子５
０からの出力電流の偏差を判定する。そして、これらの
判定結果に基づいて最適化したゲート制御信号を半導体
素子５０のゲートに与える。
【００７６】また、図１０及び図１１に表した具体例の
場合、電流検出装置のプローブ部Ｐからの出力信号を同
軸配線３０を介して積分回路３４あるいは増幅回路４０
に入力しているが、図１２あるいは図１３に表したよう
に、これらの回路をプローブ部Ｐの近傍に設けて、直接
的に入力してもよい。この場合、コイル部Ｃが形成され
ている基板１０の上に、これら回路を形成して、基板配
線によりコイル部Ｃと接続することができる。
【００７７】また、図１３に例示したように、ＰＷＭ信
号を受けるドライブ回路４２から、半導体素子５０のゲ
ートの状態を表す信号を積分回路３４に入力し、積分回
路３４が、この信号も考慮しつつ電流信号をドライブ回
路４２に与えるようにしてもよい。
【００７８】図１４は、本発明の電流検出装置を搭載し
た半導体装置の具体例を表す模式図である。すなわち、
同図に表した半導体装置は、電力制御用モジュールであ
り、同図（ａ）はその内部平面図、同図（ｂ）はその側
面図である。
【００７９】このモジュールは、銅（Ｃｕ）からなる放
熱基板６０の上に設けられた、４枚のＤＢＣ（Direct B
onded Cupper）基板６２を有する。ＤＢＣ基板６２は、
セラミクス基板の表面に銅からなる薄膜パターンを貼り
付けたものであり、その銅パターン上に、ＩＧＢＴ６４
と環流ダイオード６６が実装されている。
【００８０】ＩＧＢＴ６４は、図１５に表したように、
その表面側にゲート電極６４Ｇと複数のエミッタ電極６
４Ｅを有し、その裏面側にはコレクタ電極６４Ｃを有す
る。
【００８１】ゲート電極６４Ｇとエミッタ電極６４Ｅ
は、それぞれボンディングワイヤー６８によって、ＤＢ
Ｃ基板６２の上の銅パターンに接続されている。また、
コレクタ電極６４Ｃは、ＩＧＢＴ６４がマウントされた
銅パターンにそのまま接続される。
【００８２】同様に、環流ダイオード６６についても、
その表面側の電極はボンディング・ワイヤー６８により
ＤＢＣ基板６２の銅パターンに接続され、裏面側の電極
は、ダイオード６６がマウントされている銅パターンに
そのまま接続されている。
【００８３】そして、これら電極のそれぞれは、引き出
し配線６９により、モジュールの上方に引き出されて図
示しない外部回路あるいは外部機器に適宜接続される。
【００８４】図１６は、この電力制御用モジュールの一
部の等価回路図である。すなわち、同図は、１枚のＤＢ
Ｃ基板６２における回路を表し、４つのＩＧＢＴ６４と
２つの環流ダイオード６６が並列接続されていることを
表す。
【００８５】そして、本発明においては、例えば、ＩＧ
ＢＴ６４のエミッタ電極６４Ｅに接続されたボンディン
グ・ワイヤー６８と、環流ダイオード６６に接続された
ボンディング・ワイヤー６８に、プローブ部Ｐを設け、
電流を測定可能としている。但し、電流を測定するの
は、ＩＧＢＴ６４だけでもよく、ダイオード６６だけで
もよい。また、１個の素子だけでなく、複数の素子にお
いて計測しても良い。さらに、モジュール内主電極配線
のどの部分で測定しても良い。
【００８６】図１７は、プローブ部を表す要部拡大斜視
図である。このプローブ部Ｐは、図６に例示したような
構造を有し、一対のコイル部Ｃの間隙に複数のボンディ
ング・ワイヤー６８を挿入して、これらを流れる電流を
検出可能としている。
【００８７】以上、図１４乃至図１７に表した半導体装
置によれば、ＩＧＢＴ６４及び環流ダイオード６６を流
れる電流をリアルタイムに測定することができ、例え
ば、図１０乃至図１３に関して前述したような短絡時の
緊急遮断や、電流測定値に基づくゲート制御へのフィー
ドバックなどを確実且つ容易に行うことができる。
【００８８】しかも、本発明によれば、ＩＧＢＴ６４や
環流ダイオード６６の動作に影響を与えることもなく、
さらにまた、プローブ部Ｐをコンパクトに形成できるの
で、モジュールのサイズを大きくする必要もない。
【００８９】その結果として、高信頼性、高性能でコン
パクトな電力制御用モジュールなどの半導体装置を提供
できる。
【００９０】以上、本発明の電流検出装置を搭載した半
導体装置の具体例を表したが、本発明はこれに限定され
るものではない。例えば、ＩＧＢＴの他、ＭＯＳＦＥ
Ｔ、サイリスタ、ＧＴＯ、ダイオードでも使える。
【００９１】図１８は、プローブ部Ｐの配置に関する変
型例を表す模式図である。すなわち、ＤＢＣ基板６２の
パターンから銅などの引き出し配線７０（「bus」ある
い「スタブ」などとも称される）を介して電流を取り出
す場合、この引き出し配線７０にプローブ部Ｐを設けて
電流を測定することもできる。
【００９２】また、図１９に例示したように、このプロ
ーブ部Ｐをゲート基板に形成してもよい。すなわち、同
図に表した具体例の場合、銅基板６０の上にＤＢＣ基板
６２が設けられ、その上にＩＧＢＴ６４が実装されてい
る。
【００９３】そして、さらにその上に、所定の間隔を開
けて、ゲート基板７４が設けられている。このゲート基
板７４は、ＩＧＢＴ６４のゲートを制御する信号を出力
するドライブ回路を有する。一方、ＩＧＢＴ６４の主電
極（コレクタまたはエミッタ）は、引き出し電極７６に
より、ゲート基板７４を貫通してモジュールの上方に取
り出される。
【００９４】そして、この引き出し電極７６を挟むよう
に、ゲート基板７４に本発明の電流検出装置のプローブ
部Ｐを形成することにより、主電極電流を測定すること
ができる。
【００９５】またこの場合、図２０に表したように、引
き出し電極７６のいずれか一方の側のみにプローブ部Ｐ
を設けてもよい。すなわち、図２０（ａ）はモジュール
の縦断面図であり、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図で
ある。
【００９６】図２０に例示したモジュールの場合、引き
出し電極７６がモジュールの端部ギリギリに寄せて設け
られている。このため、ゲート基板７４は、引き出し電
極７６の両側を挟むことなく、その一方のみに接して設
けられる。
【００９７】このような場合には、同図に表した如く、
引き出し電極７６を一対のコイルにより挟むのではな
く、その一方の側に近接させてプローブ部Ｐを形成すれ
ばよい。後に本発明の実施例として詳述するように、プ
ローブ部Ｐが被測定導体を挟まずにその近傍に配置され
る場合には、得られる出力は低下するが、電流の検出は
可能である。また同時に、一対のコイル部Ｃを設けるこ
とにより、外部磁界の影響をキャンセルする効果は維持
される。
【００９８】従って、電力モジュールなどの半導体装置
において、電極の配置あるいはその他各種の要因によ
り、被測定導体を挟むようにプローブ部Ｐを設けること
が困難な場合は、被測定導体の近傍にプローブ部Ｐを配
置すればよい。
【００９９】図２１は、本発明の電流検出装置を搭載し
たもう一つの半導体装置を表す模式図である。
【０１００】また、図２２は、その素子部の等価回路を
表す模式図である。
【０１０１】すなわち、本具体例は、２つの電力スイッ
チング用半導体素子８９を直列に接続し、その両端及び
接続中点からそれぞれ端子９０Ａ、９０Ｃ、９０Ｂを取
り出した構造を有する。これら半導体素子８９は、基板
８０の上に形成された外囲器８２の中に封止されてい
る。そして、その上に主電極端子９０Ａ〜９０Ｃ、及び
ゲート制御端子９２が設けられている。
【０１０２】主電極端子９０Ａ〜９０Ｃは、その取り出
し部において銅などからなるワッシャー８３を介して接
続用ボルト８５により電力配線を接続できるようにされ
ている。そして、このワッシャー８３の周囲を取り囲む
ように基板８４が設けられ、この基板上に、本発明の電
流検出装置のプローブ部Ｐが形成されている。
【０１０３】プローブ部Ｐからの出力は、接続配線８７
を介して制御基板８６に導出される。制御基板８６は、
プローブ部Ｐからの出力信号を積分あるいは増幅するた
めの積分回路あるいは増幅回路や、所定値と比較するた
めの比較回路を有し、さらに、半導体素子８９のそれぞ
れを制御するためのゲートドライブ回路などを有する。
【０１０４】そして、このゲートドライブ回路からの制
御信号が配線８８を介して、ゲート制御端子９２に入力
される。
【０１０５】図２３（ａ）は、基板８４の付近の要部断
面図であり、図２３（ｂ）はその裏面からみた平面図で
ある。基板８４は、絶縁性の材料により形成され、その
延面耐圧を向上させるための開口８４Ｈが適宜設けられ
ている。
【０１０６】そして、ワッシャー８３の周囲に、コイル
を有するプローブ部Ｐを形成することにより、端子電流
を測定することができる。
【０１０７】図２４は、プローブ部Ｐの変型例を表す模
式断面図である。
【０１０８】すなわち、連続的な基板８４を設ける代わ
りに、同図（ａ）または（ｂ）に例示した如く、ワッシ
ャー８３の周囲のみを取り囲むような形状の基板にコイ
ル部Ｃを形成することにより、プローブ部Ｐとしてもよ
い。
【０１０９】図２５は、図２１に表した半導体装置の変
型例を表す内部拡大図である。すなわち、基板８０の上
に実装された半導体素子８９（あるいはＤＢＣ基板な
ど）の電極と主端子９０Ａ〜９０Ｃとの間は、接続配線
９４により接続されている。
【０１１０】図２５に表したように、この接続配線９４
を挟むように、本発明の電流検出装置のプローブ部Ｐを
設けることによって、その電流を測定することもでき
る。
【０１１１】以上、図１乃至図２５を参照しつつ、本発
明の実施の形態について説明した。
【０１１２】以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施
の形態についてさらに詳細に説明する。
【０１１３】（第１の実施例）まず、本発明の第１の実
施例として、図１４乃至図１７に関して前述したような
ＤＢＣ基板上の半導体チップに接続されているボンディ
ング・ワイヤーに流れる電流を測定する電流検出装置に
ついて検討した。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）か
らなる１６本のボンディングワイヤー（０．３ｍｍφ）
に流れる電流を同時測定するためのプローブ部Ｐの検討
を行った。
【０１１４】図２６は、解析モデルを表す概念図であ
る。
【０１１５】すなわち、１６本のアルミニウム・ボンデ
ィング・ワイヤーは、最外形が等しくなるよう１２ｍｍ
×０．３ｍｍ×１６ｍｍのアルミ板Ｓで近似し、アルミ
板Ｓから０．３ｍｍ乃至１．３ｍｍの位置に、断面積１
ｍｍ２（１ｍｍ×１ｍｍ）の銅線コイルＣを、間隔０．
８ｍｍピッチで配置した。
【０１１６】また、本発明のプローブ部Ｐは、ボンディ
ング・ワイヤーＳと同じ向きの電流による磁束からノイ
ズを受けやすいため、ノイズ源１，２を配置して、外部
磁束の影響についても解析を行った。
【０１１７】表１は、被測定導体すなわち１６本のアル
ミニウム・ボンディング・ワイアの中心からの相互イン
ダクタンスをまとめたものである。
【０１１８】
【表１】 ここで、コイルＣの１ターンの抵抗とインダクタンス
は、６．９ｍΩ−１．９２ｎＨ（ｆ＝１Ｈｚ）であり、
表１は、中心からの距離Ｘａでのコイル１ターンとボン
ディングワイヤーとの相互インダクタンスを表す。
【０１１９】表１から、コイルピッチ０．４ｍｍでボン
ディング・ワイヤーの両側に設置するコイルを６４ター
ンとすると、相互インダクタンスＭ＝０．３４２×２×
２×２＝２．７４ｎＨで、電流変化率ｄｉ／ｄｔ＝１０
０Ａ／μｓの場合には、開放端電圧２７４ｍＶが得られ
ることが分かる。
【０１２０】次に、コイルとノイズ源１との相互インダ
クタンスを求めた。表２は、ボンディング・ワイヤーＳ
から１０ｍｍの位置にノイズ源１がある場合の相互イン
ダクタンスを表す。
【０１２１】
【表２】 被測定導体Ｓの両側にコイル部Ｃを設け、これらの間で
外部磁束の影響をキャンセルすることにより、Ｍ＝０．
０１５ｎＨで、信号レベルの約４％に相当した。１０ｍ
ｍ以上離れた位置での電流の影響は少ないので、実際の
半導体装置において、電極端子などからの影響は無視し
うるものと考えられる。
【０１２２】次に、コイルとノイズ源２との相互インダ
クタンスを求めた。表３は、ボンディング・ワイヤーＳ
から５ｍｍの位置にノイズ源２がある場合の相互インダ
クタンスを表す。
【０１２３】
【表３】 この場合も、被測定導体Ｓの両側にコイル部Ｃを設け、
これらの間で外部磁束の影響をキャンセルすることによ
り、Ｍ＝０．０４１ｎＨで、信号レベルの約１２％に相
当する。ボンディング・ワイヤーから１０ｍｍ以内の位
置での電流の影響は多少あるので、実際の半導体装置に
おいては、チップ近傍の銅パターン面を流れる電流の影
響を考慮すべき場合もある。
【０１２４】但し、ボンディング・ワイヤーと同じ方向
を流れる電流成分以外の影響は小さいので、前述したＤ
ＢＣ基板などの場合、銅パターンから受ける影響は少な
いと考えられる。
【０１２５】次に、コイルＣの位置が上下にずれた場合
の相互インダクタンスを求めた。表４は、コイルＣが全
体的に下に向けて０．１ｍｍずれた場合の相互インダク
タンスを表す。
【０１２６】
【表４】 ボンディング・ワイヤーの両側の相互インダクタンスの
平均はＭ＝０．３４２ｎＨであり、「位置ずれ」があっ
ても両側で補正されるので、その影響は考えなくても良
いと思われる。コイルが上にずれた場合は、表４の上と
下の項目が逆になる。
【０１２７】次に、コイル径を変えた場合の相互インダ
クタンスを求めた。表５は、コイル径を２ｍｍ×１ｍｍ
としてコイル断面積を大きくした場合の相互インダクタ
ンスを表す。
【０１２８】
【表５】 表５から、コイルピッチ０．４ｍｍで、ボンディング・
ワイヤーの両側に設置するコイル（６４ターン）は、Ｍ
＝０．６８４×２×２×２＝５．４７ｎＨで、電流変化
率ｄｉ／ｄｔ＝１００Ａ／μｓとすれば、開放端電圧５
４７ｍＶが得られることが分かった。
【０１２９】以上説明した第１の実施例をまとめると、
以下のことが分かった。すなわち、電流変化率１５Ａ／
μｓならば、解析結果から、コイル断面積２ｍｍ２（２
ｍｍ×１ｍｍ）×６４ターンで、開放端電圧８２ｍＶと
なる。試作コイル形状に換算すれば、試作コイル断面積
３．９２ｍｍ２（内径２．４５ｍｍ×１．６ｍｍ）×４
８ターンから、約１．４７倍の出力が得られ、開放端電
圧１２０ｍＶが得られる。
【０１３０】実際の測定時の１０Ω終端電圧は、コイル
内部抵抗が１．４７Ωとすると、約１０５ｍＶになると
考えられる。本実施例は、ボンディング・ワイヤーをア
ルミ板Ｓで近似した解析であるが、後に詳述する第２実
施例において得られた測定結果の８０ｍＶｐとほぼ同じ
オーダの出力電圧が得られることが分かった。積分回路
のゲインと、コイルから積分回路までの伝送のノイズが
十分低ければ終端抵抗値は１Ω程度の値でも良い。
【０１３１】すなわち、以上の結果から、解析上も、本
発明の電流検出装置をチップ電流センサとして使用可能
であることが分った。
【０１３２】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例として、前述した第１実施例の解析に基づいて具体
的な電流検出装置を試作し、その性能を評価した。ここ
で、半導体装置に搭載される半導体チップのボンディン
グ・ワイヤーやモジュール構造を変更することなく、現
状のモジュールのままでチップ電流を計測できることを
目標とし、周囲からボンディング・ワイヤーへプローブ
部を挿入できるような構造にした。また、小型化を図っ
ても再現性が確保できるように、基板にワイヤーを巻く
のではなく、パターンを形成した多層プリント基板を用
いてコイル部を実現した。
【０１３３】図２７は、本実施例において製作した電流
検出装置のプローブ部を表す模式図である。すなわち、
このプローブ部Ｐは、図１４乃至図１７に関して前述し
たものと類似した構造を有する。
【０１３４】図２８は、プローブ部のコイル断面を表す
模式図である。上下のコイル部Ｃに誘起される起電力が
加算されるようにこれらコイルが接続されている。ボン
ディング・ワイヤーＳに流れる電流によって磁束が発生
するので、この磁束をコイルで検出し、電流に対応した
電圧がコイルに誘起される。
【０１３５】図２９は、プローブ部Ｐのより具体的な構
造を表す模式図である。
【０１３６】ここで、基板１０Ａ、１０Ｂとしては、３
層プリント基板を用い、基板両面のパターン１２とスル
ーホール１４でコイルを形成し、コイルの巻き終わりを
基板１０内の内層に接続し、コイルの巻き始め位置まで
持ってきている。上下の基板１０Ａ、１０Ｂの接続は、
スペーサー１０Ｃを挟んで行った。ここで、同じ構造の
コイル基板１０Ａ、１０Ｂを重ねた構造とすることによ
り、外部磁束に対する対ノイズの同相除去比を向上さ
せ、電流遮断時に発生する電圧上昇率ｄｖ／ｄｔの影響
を減少させることができる。
【０１３７】プローブ部の基板１０Ａ、１０Ｂのサイズ
は、測定すべきボンディング・ワイヤーの本数とピッチ
を考慮して、幅３．５ｍｍ×長さ２０ｍｍとし、ボンデ
ィング・ワイヤーが入る挿入部の長さを１５ｍｍとし
た。
【０１３８】また、コイル断面積を大きくして出力電圧
が得られるように、基板厚（コイル厚）は１．６ｍｍに
した。その結果、コイルの断面積は約３ｍｍ×１．６ｍ
ｍとなった。一方、出力電圧は減少するが、よりコンパ
クトなサイズとして狭い空間においても計測ができるよ
うに、基板厚（コイル厚）１ｍｍのプローブも製作し
た。
【０１３９】スペーサー１０Ｃの厚みは、ボンディング
・ワイヤー０．３ｍｍφを挿入して検出感度が低下しな
いようにするため、０．６ｍｍとした。上下の基板１０
Ａ、１０Ｂは、スペーサー１０Ｃを介して接着し、スペ
ーサー１０Ｃをスルーしたワイヤー１８をはんだ付けし
て接続した。
【０１４０】また、ボンディング・ワイヤーだけではな
く、図１８に例示したようなモジュール内のパワーバス
（ｔ＝１ｍｍ）の電流も計測することを考慮して、スペ
ーサー１０Ｃの厚みを１．６ｍｍとしたプローブも製作
した。
【０１４１】このようにして製作したプローブ部は、従
来のＣＴプローブと比較した場合、重量が約１／６０、
体積が１／２２と、大幅に軽量化、小型化が図れること
が分かった。
【０１４２】図３０は、プローブ部に銅板を挿入してパ
ルス電流を流した時の波形を表すグラフ図である。すな
わち、同図Ａは、従来のＣＴ型プローブで計測した電流
値、Ｂは、コイル厚を１．６ｍｍとした本発明のプロー
ブ部からの出力波形、Ｃは、コイル厚を１ｍｍとした本
発明のプローブ部からの出力波形、Ｄ及びＥは、それぞ
れＢ及びＣの波形を積分処理した波形である。
【０１４３】図３０から分かるように、本発明のプロー
ブ部を用いた場合も、従来のＣＴ型プローブと同様の電
流波形を再現できる。またここで、コイル厚１ｍｍ（Ｃ
及びＥ）と１．６ｍｍ（Ｂ及びＤ）によるコイル断面積
の違いが、１．６倍の出力電圧の差となって現れてい
る。電流変化率ｄｉ／ｄｔ＝１５Ａ／μｓ程度と緩やか
であったので、出力電圧は８０ｍＶｐであった。
【０１４４】次に、電流が流れている導体Ｓとプローブ
部Ｐとの位置関係による出力電圧の変化について調べ
た。
【０１４５】図３１は、この測定方法を表す模式図であ
る。ここで、導体Ｓとしては、幅１５ｍｍ×０．５ｍｍ
ｔの銅板を用い、これとプローブ部Ｐとの位置関係を以
下のように種々に変化させながら、微分出力電圧を測定
した。
【０１４６】（１）軸方向に関しては、導体Ｓをプロー
ブ部Ｐの一番奥深く挿入した位置を０ｍｍとし、徐々に
引き抜いた場合の位置と出力電圧の関係を計測した。
【０１４７】（２）Ｚ軸方向に関しては、プローブ部Ｐ
の間隔の中央に導体Ｓを挿入した位置を基準（０ｍｍ）
として、この位置から上方向へ移動させた時の微分出力
電圧を計測した。
【０１４８】図３２及び図３３は、これらの測定結果を
表すグラフ図である。ここで、測定位置は、プローブ部
Ｐの中心と導体Ｓの上部との間隔を表している。
【０１４９】Ｘ軸方向については、図３２に表したよう
に、導体Ｓにプローブ部Ｐが一番深く挿入した位置（Ｘ
＝０）での出力電圧が最大で、導体Ｓがプローブ部Ｐか
ら外れる位置までは概ね直線的に減少している。プロー
ブ部Ｐの開口端から３ｍｍ以上外れた位置では、出力電
圧が２．４％程度に減少する。
【０１５０】また、Ｚ軸方向については、図３３に表し
たように、２ｍｍ以上離すと出力電圧がほぼ一桁下が
る。なおここで、導体ＳをＺ軸方向に２ｍｍ以上離すと
いうことは、導体Ｓは、プローブ部Ｐの基板１０Ａ、１
０Ｃの間隙に挟まれるのではなく、その外側に設けられ
ることとなる。すなわち、図２０に例示したような位置
関係が形成される。このように、導体Ｓがプローブ部Ｐ
に挟まれるのではなく、その一方の側に設けられた場合
でも、出力が低下するものの、電流の測定は可能であ
る。
【０１５１】図３４は、電流変化率ｄｉ／ｄｔと出力電
圧の関係を表すグラフ図である。ここでは、電流変化率
ｄｉ／ｄｔとして５０Ａ／μｓまで測定した結果、電流
変化率と出力電圧とは、ほぼ線形の関係を維持してお
り、精度の高い測定が容易であることが確認できた。
【０１５２】図３５は、複数のプローブ部の相対測定精
度の分布を表すグラフ図である。すなわち、２０個のプ
ローブ部を試作し、それらの微分出力電圧を測定した結
果、同一条件でのプローブでの相対精度は、プラスマイ
ナス１％以下であり、感度の再現性が極めて良好である
ことが判明した。
【０１５３】なお、本実施例においては、プローブ部Ｐ
からのリード線として、電流遮断時に大きな電圧変化率
ｄｖ／ｄｔが発生してもリード線に影響を及ぼさないよ
うに同軸ケーブルを用いた。同軸ケーブルは、プローブ
部Ｐが動くことにより被測定体となるボンディング・ワ
イヤーにストレスを与えることがないよう、先端部は
０．６５ｍｍφの超極細同軸ケーブルを使用し、途中で
１．５Ｄ−２Ｖ同軸ケーブルに変換してＢＮＣコネクタ
へ接続した。また、振動を抑制するためにコイル１個に
対して、１０Ωの抵抗で終端した。
【０１５４】次に、図１４乃至図１７に表したように電
力制御用モジュールにプローブ部Ｐを搭載して、半導体
素子を流れる電流を測定した。具体的には、１６個の半
導体チップから成る４．５ｋＶ−６００Ａモジュールの
ＤＢＣ基板４枚にプローブ部Ｐを組み込んで、それらか
らの出力波形を観測した。
【０１５５】プローブ部Ｐからの信号は微分出力電圧で
あるので、積分器を通すことで電流波形を復元すること
ができる。
【０１５６】図３６は、本実施例において用いた積分器
の要部を表す回路図である。この積分器は、ＯＰアンプ
を用いた不完全積分を行い、ＯＰアンプとしてはＦＥＴ
入力型で広帯域低ドリフトのタイプのものを使用した。
【０１５７】図３７は、１６個の半導体チップの電流を
観測した波形を表すグラフ図である。
【０１５８】また、図３８（ａ）は、本発明のプローブ
部により計測した１６チップの電流計測データを加算し
た波形を表し、同図（ｂ）は、従来のＣＴ型プローブで
計測した主電流波形を表すグラフ図である。
【０１５９】本発明のプローブ部を用いることにより、
１６個の半導体チップの全てについて、電流測定が成功
し、従来のＣＴ型プローブと同様な電流波形が得られて
いることが分かる。
【０１６０】以上、詳述したように、本実施例において
は、１６チップのボンディング・ワイヤーに組み込んだ
プローブ部と積分器とで得られた加算全電流波形と、従
来のＣＴ型プローブにより計測した主電流波形とが、ほ
ぼ同等であることが分った。
【０１６１】電流変化率ｄｉ／ｄｔ＝５０Ａ／μｓのと
きの微分出力電圧は、３３０ｍＶｐ（コイル１個に対し
て１０Ωで終端）であるので、実際の使用電流である電
流変化率ｄｉ／ｄｔ＝１００Ａ／μｓ以上では１Ｖｐ程
度の出力電圧になり、信号出力としては十分であると考
えられる。
【０１６２】また、プローブ部Ｐの相対精度は、同一条
件下でプラスマイナス１％以下と極めて再現性が良好で
あることも分かった。ワイヤーフレームの影響も、基本
特性から１０ｍｍ程度離すと５％以下に低下するデータ
が得られ、今回の評価でも影響が感じられなかった。こ
のようなことからモジュールに組み込んでのチップの電
流が計測できることが確認できた。
【０１６３】以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施
の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの
具体例に限定されるものではない。
【０１６４】例えば、本発明の電流検出装置あるいは半
導体装置における各要素の配置関係や寸法、形状、構
造、材料などについては、当業者が公知の範囲から適宜
選択して本発明と同様の作用効果が得られるものも本発
明の範囲に包含される。
【０１６５】具体的には、例えば、コイルが形成された
基板の表面に保護膜などが形成され、コイルを構成する
導体のパターンが露出しないようにしたものも本発明の
範囲に包含される。
【０１６６】また、コイルが形成された基板の上に、別
の基板などを貼り付けることによってコイルを内部に埋
め込んだものも本発明の範囲に包含される。
【０１６７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
極めてコンパクトで、正確且つ容易な電流の測定が可能
な電流検出装置及びこれを搭載した電力半導体モジュー
ルなどの半導体装置を提供することができ、産業上のメ
リットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電流検出装置のプ
ローブ部を模式的に表した図である。
【図２】一対のコイル部Ｃの接続関係を例示する模式図
である。
【図３】コイル部Ｃにおいて生ずる電磁誘導作用を表す
模式図である。
【図４】本発明の電流検出装置の他の具体例を表す模式
図である。
【図５】基板１０にスリット状などの穴Ｈを設け、その
両側にコイル部Ｃを形成した具体例を表す模式図であ
る。
【図６】本発明の電流検出装置の他の具体例を表す模式
図である。
【図７】本発明におけるコイル部Ｃの具体例を表す模式
図である。
【図８】本発明におけるコイル部Ｃのもうひとつの具体
例を表す模式図である。
【図９】本発明の電流検出装置を用いた測定システムを
例示する模式図である。
【図１０】本発明の電流検出装置を搭載した半導体装置
の要部を表す模式図である。
【図１１】本発明の電流検出装置を搭載したもうひとつ
の半導体装置の要部を表す模式図である。
【図１２】増幅回路をプローブ部Ｐの近傍に設けて、直
接的に入力する具体例を表す模式図である。
【図１３】積分回路をプローブ部Ｐの近傍に設けて、直
接的に入力する具体例を表す模式図である。
【図１４】本発明の電流検出装置を搭載した半導体装置
の具体例を表す模式図である。
【図１５】ＩＧＢＴ６４を表す模式図である。
【図１６】本発明の電力制御用モジュールの一部の等価
回路図である。
【図１７】プローブ部を表す要部拡大斜視図である。
【図１８】プローブ部Ｐの配置に関する変型例を表す模
式図である。
【図１９】プローブ部Ｐをゲート基板に形成した具体例
を表す模式図である。
【図２０】引き出し電極７６のいずれか一方の側のみに
プローブ部Ｐを設けた具体例を表す模式図である。
【図２１】本発明の電流検出装置を搭載したもう一つの
半導体装置を表す模式図である。
【図２２】図２１の半導体装置の素子部の等価回路を表
す模式図である。
【図２３】（ａ）は、基板８４の付近の要部断面図であ
り、（ｂ）はその裏面からみた平面図である。
【図２４】プローブ部Ｐの変型例を表す模式断面図であ
る。
【図２５】図２１に表した半導体装置の変型例を表す内
部拡大図である。
【図２６】第１実施例の解析モデルを表す概念図であ
る。
【図２７】第２実施例において製作した電流検出装置の
プローブ部を表す模式図である。
【図２８】プローブ部のコイル断面を表す模式図であ
る。
【図２９】プローブ部Ｐのより具体的な構造を表す模式
図である。
【図３０】プローブ部に銅板を挿入してパルス電流を流
した時の波形を表すグラフ図である。
【図３１】第２実施例の測定方法を表す模式図である。
【図３２】第２実施例の測定結果を表すグラフ図であ
る。
【図３３】第２実施例の測定結果を表すグラフ図であ
る。
【図３４】電流変化率ｄｉ／ｄｔと出力電圧の関係を表
すグラフ図である。
【図３５】複数のプローブ部の相対測定精度の分布を表
すグラフ図である。
【図３６】第２実施例において用いた積分器の要部を表
す回路図である。
【図３７】１６個の半導体チップの電流を観測した波形
を表すグラフ図である。
【図３８】（ａ）は、本発明のプローブ部により計測し
た１６チップの電流計測データを加算した波形を表し、
（ｂ）は、従来のＣＴ型プローブで計測した主電流波形
を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ、１０Ｂ 基板 １０Ｃ スペーサー １２、１３ 導体パターン １４ スルーホール １６ 戻り配線 １８ 結合配線（ワイヤー） ２０ 取り出し端子 ３０ 同軸配線 ３２ ツイスト・ペア配線 ３４ 積分回路 ３５ 同軸配線 ３６ オシロスコープ ３８ 比較回路 ３９ ドライブ回路 ４０ 増幅回路 ４０ 積分回路 ４２ ドライブ回路 ５０ 半導体素子 ６０ 銅基板 ６２ ＤＢＣ基板 ６４ ＩＧＢＴ ６４Ｃ コレクタ電極 ６４Ｅ エミッタ電極 ６４Ｇ ゲート電極 ６６ ダイオード ６８ ボンディングワイヤー ６９、７０ 引き出し配線 ７４ ゲート制御基板 ７６ 電極 ８０ 基板 ８２ 外囲器 ８３ ワッシャー ８４ 基板 ８４Ｈ 開口 ８５ 接続用ボルト ８６ 制御基板 ８７ 接続配線 ８８ 配線 ８９ 半導体素子 ９０Ａ〜９０Ｃ 端子 ９２ ゲート制御端子 ９４ 接続配線 Ｃ コイル部 Ｐ プローブ部 Ｒ 抵抗 Ｓ 被測定導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小谷 和也 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 Ｆターム(参考） 2G025 AA05 AB00 2G035 AA13 AA15 AB04 AD18 5E081 AA05 CC30 DD11 GG01 GG05

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１のコイルと、 前記第１のコイルと直列に接続された第２のコイルと、 を備え、前記第１及び第２のコイルの間または、前記第
    １及び第２のコイルのいずれかの近傍に配置された被測
    定体を流れる電流を検出可能とした電流検出装置であっ
    て、 前記第１及び第２のコイルのそれぞれは、基板の表面に
    設けられた第１の導体パターンと、前記基板の裏面に設
    けられた第２の導体パターンと、前記第１の導体パター
    ンと前記第２の導体パターンとを接続する接続部と、か
    らなることを特徴とする電流検出装置。
  2. 【請求項２】切り欠きが設けられた基板と、 前記切り欠きを挟んで前記基板に形成された第１及び第
    ２のコイルと、 を備え、 前記第１及び第２のコイルのそれぞれは、前記基板の表
    面に設けられた第１の導体パターンと、前記基板の裏面
    に設けられた第２の導体パターンと、前記第１の導体パ
    ターンと前記第２の導体パターンとを接続する接続部
    と、からなることを特徴とする電流検出装置。
  3. 【請求項３】開口が設けられた基板と、 前記開口を挟んで前記基板に形成された第１及び第２の
    コイルと、 を備え、 前記第１及び第２のコイルのそれぞれは、前記基板の表
    面に設けられた第１の導体パターンと、前記基板の裏面
    に設けられた第２の導体パターンと、前記第１の導体パ
    ターンと前記第２の導体パターンとを接続する接続部
    と、からなることを特徴とする電流検出装置。
  4. 【請求項４】第１のコイルが形成された第１の基板と、 第２のコイルが形成された第２の基板と、 前記第１及び第２のコイルの間に間隙が形成されるよう
    に前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた
    スペーサと、 を備え、 前記第１のコイルは、前記第１の基板の表面に設けられ
    た第１の導体パターンと、前記第１の基板の裏面に設け
    られた第２の導体パターンと、前記第１の導体パターン
    と前記第２の導体パターンとを接続する接続部と、から
    なり、 前記第２のコイルは、前記第２の基板の表面に設けられ
    た第１の導体パターンと、前記第２の基板の裏面に設け
    られた第２の導体パターンと、前記第１の導体パターン
    と前記第２の導体パターンとを接続する接続部と、から
    なることを特徴とする電流検出装置。
  5. 【請求項５】前記第１及び第２のコイルは、直列に接続
    されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに
    記載の電流検出装置。
  6. 【請求項６】前記第１及び第２のコイルの間に設けられ
    た被測定体を流れる電流により形成される磁束により前
    記第１及び第２のコイルのそれぞれに生ずる電圧が加算
    されるように、前記第１のコイルと前記第２のコイルと
    が接続されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか
    １つに記載の電流検出装置。
  7. 【請求項７】前記接続部は、前記基板を貫通する導体か
    らなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに
    記載の電流検出装置。
  8. 【請求項８】前記接続部の少なくとも一部は、前記基板
    の側面に形成された導体パターンからなることを特徴と
    する請求項１〜６のいずれか１つに記載の電流検出装
    置。
  9. 【請求項９】前記第１のコイルと前記第２のコイルとを
    接続する配線の少なくとも一部は、前記基板の内部を延
    在してなることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１
    つに記載の電流検出装置。
  10. 【請求項１０】前記第１及び第２のコイルに対して並列
    に接続された抵抗をさらに備えたことを特徴とする請求
    項５〜９のいずれか１つに記載の電流検出装置。
  11. 【請求項１１】前記第１及び第２のコイルに接続された
    積分回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１
    ０のいずれか１つに記載の電流検出装置。
  12. 【請求項１２】半導体素子と、 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の電流検出装置
    と、 を備え、 前記半導体素子を流れる電流の少なくとも一部を前記電
    流検出装置により検出可能としたことを特徴とする半導
    体装置。
  13. 【請求項１３】前記第１及び第２のコイルが、前記半導
    体素子に接続されたボンディング・ワイヤーを挟むよう
    に設けられたことを特徴とする請求項１２記載の半導体
    装置。
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