CN102484110A - 电力半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力半导体模块。靠近由第一导体图案(3a)上的双向电力半导体构成的开关元件(4)地安装利用与控制用IC(8)绝缘的电源系统工作的驱动IC(7)。将与该开关元件(4)的源极或发射极端子连接的第二导体图案(3b)和已安装有驱动IC(7)的第三导体图案(3c)电连接，驱动IC(7)上的接地端子与第三导体图案(3c)电连接，驱动IC(7)的驱动端子与开关元件(4)的栅极或基极端子电连接。

Description

电力半导体模块
技术领域
本发明涉及一种电力半导体模块，特别涉及一种由电力转换装置等中所用的双向电力开关元件构成的电力半导体模块。
背景技术
电力转换装置用途广泛，其中包括对产业用马达、家电中所用马达等进行驱动。电力开关元件与它的控制元件一起集中在一个半导体封装体中所构成的电力半导体模块已投入使用。
人们已知：以绝缘栅双极型晶体管(IGBT：Insulated Gate BipolarTransistor)作电力开关元件用的变频器模块是现有技术下的电力半导体模块之一。变频器是一种利用电力开关元件将对交流电源进行整流和平滑化以后获得的直流电源再逆向转换为任意频率的交流的电路(参照专利文献1)。
与这样的变频器不同，人们正致力于利用将交流电源直接转换为任意频率的三相交流电的矩阵式转换器来提高电力转换装置的能量效率。就变频器而言，为了对直流电源进行转换，高边和低边都使用单向性电力开关元件即可，但是在矩阵式转换器的情况下，因为是直接转换交流电源来控制交流负载，所以需要的是双向电力开关元件和控制它的驱动器。例如将两个反向阻断IGBT逆并联即可实现双向电力开关元件，通过对各个IGBT的栅极施加以各自的发射极电位为基准的控制信号，来进行转换控制(参照专利文献2)。
【在先技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本公开特许公报特开2000-133768号公报
专利文献2：日本公开特许公报特开2005-218205号公报
发明内容
(发明想要解决的课题)
就变频器而言，利用位于高边和低边的开关元件使直流电源交替地接通和切断，则能够易于产生交流信号，但是对于使用了双向开关元件的矩阵式转换器来说，因为交流电源成为输入电源，所以需要进行使输入电源的时刻和负载输出的时刻一致的复杂的转换控制或高速下的转换控制等。
电力开关元件，是通过以其源极或发射极为基准电位对栅极或基极施加驱动IC的驱动信号来进行开关控制。在变频器的情况下，即使成为开关元件的驱动基准的电位与驱动IC(集成电路)的控制接地电位不同，但是转换的对象也是直流电，相对于接地电位的极性很明确，所以能够较容易地产生驱动信号。然而，在像矩阵式转换器那样使用双向开关元件的情况下，成为开关元件的驱动基准的电位及其极性相对于驱动IC的控制接地电位不明确，而难以将这样的驱动IC作为一个单体IC来实现。
因为电力半导体模块控制的是大电力的负载，所以考虑其安全性就变得很重要了。例如在变频器的情况下，如果开关元件的高边和低边同时接通，则会流过值较大的直通电流，这样就不仅会破坏这些开关元件，还会引起着火、出现火灾等。因为变频器动作简单，所以很容易采取使其不同时接通的控制等安全措施。但是对矩阵式转换器来说，如上所述需要进行复杂且高速的控制，驱动IC稍微有一点误动作，便有可能成为危险的动作模式，这就要求有控制误动作的结构、和对误动作进行控制。
本发明正是鉴于上述各点而完成的。其目的在于：在矩阵式转换器等由双向电力开关元件构成的电力半导体模块中，获得高性能和高稳定性，将其功能集中到一个小型的模块中。
(用于解决课题的手段)
为达成上述目的，本发明在包括：由具有含电力用引线和控制用引线的多个导体图案的基板、由双向电力半导体形成的开关元件以及对所述开关元件进行驱动的驱动IC的电力半导体模块中，所述开关元件安装在所述基板的第一导体图案上；所述开关元件的源极或发射极端子与构成所述电力用引线的第二导体图案电连接；所述驱动IC安装在与所述第二导体图案电连接的第三导体图案上；所述第三导体图案靠近所述第一导体图案；所述驱动IC的接地端子与所述第三导体图案电连接；所述驱动IC的驱动端子与所述开关元件的栅极或基极端子电连接。
根据本发明，将驱动IC布置在双向电力半导体构成的开关元件的附近，将驱动信号施加在该开关元件的源极或发射极端子与栅极或基极端子之间，因此能够最大限度地将电路周围的寄生电容抑制在最小值上，从而能够抑制驱动信号的延迟，而能够进行高速的转换控制；通过使所述驱动IC在成为所述开关元件的驱动基准电位下亦即与源极或发射极端子相同的基准电位下工作，则对该开关元件的控制不容易受周边电路的电压变化的影响，不发生误动作；通过将驱动IC安装在与所述基准电位电连接的第三导体图案上，则能够利用其屏蔽效果使该驱动IC周围的电位稳定化，从而能够抑制误动作。
更优选，利用焊线直接将所述驱动IC的驱动端子和所述开关元件的栅极或基极端子之间连接起来，来进一步减小寄生电容，抑制干扰，从而能够进行高速、无误动作的切换驱动。
更优选，通过使已安装上所述驱动IC的所述第三导体图案和已安装上所述开关元件的所述第一导体图案相互相邻，则能够进一步减少寄生电容，抑制干扰，从而能够进行高速、无误动作的切换驱动。
更优选，通过使所述第二导体图案和所述第三导体图案成为一个连续的同一导体图案，来抑制所述驱动IC和所述开关元件对基准电位的干扰，而能够实现无误动作的驱动。
更优选，通过将成为散热器的已安装有所述开关元件的金属块安装到所述第一导体图案上，则所述开关元件的散热性提高，从而能够使容许损耗增大。
更优选，通过使电连接有所述驱动IC的电源端子的第四导体图案与构成所述电力用引线的所述第二导体图案相邻并延伸，来使其成为一个电容器连接在所述第二导体图案和所述第四导体图案之间的结构，而能够使所述驱动IC的基准电位和电源之间的电压稳定化，从而能够实现误动作更少的切换驱动。
更优选，通过将连接在所述第二导体图案和所述第四导体图案之间的所述电容器内置于该模块内，则能够在所述驱动IC附近使其工作电源稳定化，从而能够实现误动作更少的切换驱动。
更优选，形成一种所述第二导体图案和所述第四导体图案在该模块外作为所述电力用引线并列设置且延伸，从而使电力半导体模块构成为能够将电容器外置于所述第二导体图案和所述第四导体图案之间的状态，则在无法内置所述电容器的情况下，也能够使成为驱动的基准电位的所述第二导体图案和所述驱动IC的电源端子在该模块外相邻，外置所述电容器。从而能够实现无误动作的切换驱动。
更优选，通过使所述驱动IC安装在所述第三导体图案上的位置比所述开关元件安装在所述第一导体图案上的位置更靠近所述电力用引线，则能够将将所述驱动IC安装在成为所述驱动IC的驱动基准电位的所述第二导体图案附近，从而能够实现无误动作的切换驱动。而且，在为了实现所述驱动IC的电源稳定化而外置所述电容器的情况下，能够将所述驱动IC布置得更靠近所述电容器，从而能够实现无误动作的切换驱动。
更优选，通过让所述电力用引线集中在该模块的一边上，将所述控制用引线集中在该模块的另一边上，将所述电力用引线和所述控制用引线分开布置，则能够实现满足所述电力用引线和所述控制用引线之间所要求的绝缘击穿电压的电力半导体模块。
更优选，通过使具有所述多个导体图案的基板由引线框构成，则能够确保该模块的外部连接性。
更优选，通过使具有所述多个导体图案的基板为绝缘金属底基板，则能够一边确保该模块的外部连接性，一边提高所述开关元件的散热性。
(发明效果)
如上所述，本发明借助于对由双向电力半导体形成的开关元件和驱动IC的布置，最大限度地将电路周围的寄生电容抑制在最小值上，而使高速的转换控制成为可能。还有，通过从结构上能够谋求开关元件和驱动IC的驱动基准电位的稳定化以及抑制对驱动IC的干扰，便能够实现无误动作的切换驱动，实现高性能和工作稳定性、安全性两立的电力半导体模块。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式中电力半导体模块的俯视图。
图2是示出图1中的电力半导体模块的变形例的局部放大俯视图。
—符号说明—
1-电力半导体模块；2-绝缘金属底基板；3a-第一导体图案；3b-第二导体图案；3c-第三导体图案；3d-第四导体图案；3e-第五导体图案；4-开关元件；5-散热器；6a、6b、6c、6d-焊线；7-驱动IC；8-控制IC；9-控制用引线；10-电力用引线；11-电容器；12-外部电源；13-三相交流负载。
具体实施方式
图1是本发明的实施方式中的电力半导体模块的俯视图。粗虚线区域内是电力半导体模块1的框体部分，为使其内部构造更清楚，而没有将框体显示出来。
本发明的电力半导体模块1中，作为绝缘金属底基板2使用的是，经绝缘树脂将引线框黏合在成为模块的散热板的金属板上，且已由该引线框形成了第一到第五导体图案3a～3e的基板。
作为进行电力之供给与非供给的开关元件4使用的是由双向电力半导体构成的开关元件。这里，借助用GaN形成的栅极注入晶体管(GIT：Gate Injection Transistor)实现双向切换。除此以外，还能够像现有技术那样，将两个反向阻断IGBT逆并联来实现双向切换。先利用锡焊将这样的双向开关元件4安装到是金属块的散热器5上，再针对每一个散热器5利用锡焊将开关元件4安装到第一导体图案3a上。开关元件4的源极或发射极端子例如通过铝焊线6a与第二导体图案3b电连接。
驱动IC7，是利用锡焊安装在与安装有开关元件4的第一导体图案3a相邻的第三导体图案3c上。驱动IC7的接地垫和第三导体图案3c之间通过焊线(未图示)电连接，驱动开关元件4的驱动IC7的信号垫和开关元件4的栅极或基极垫之间利用焊线6b直接连接。这里，第二导体图案3b和第三导体图案3c是电连接的同一个导体图案，且是与开关元件4的源极或发射极相连接，具有施加在开关元件4的栅极或基极上的成为驱动信号的基准电位的导体图案。因此，通过让驱动IC7以该第三导体图案3c为基准工作，则对开关元件4的驱动就会具有较强的抗干扰能力且没有误动作。通过将驱动IC7安装到成为基准电位的第三导体图案3c上，也能够收到对周围干扰的屏蔽效果。而且，因为将驱动IC7与开关元件4相邻而设且直接用焊线6b连接，所以不会产生无用的寄生电容，从而能够稳定地进行高速的转换控制。
而且，对驱动IC7进行控制的控制IC8安装在第五导体图案3e上，驱动IC7和控制IC8之间直接用焊线6c连接。
控制用引线9布置在电力半导体模块1外缘的一边上，让构成绝缘金属底基板2的导体图案即引线框向外露出。该控制用引线9与控制IC8电连接，从外部经控制用引线9向控制IC8供电，从外部经控制用引线9向控制IC8输入控制信号。
交流电源输入端子R、S、交流负载输出端子U、V、W等电力用引线10布置在电力半导体模块1的另一边上，让构成与开关元件4等连接的绝缘金属底基板2的导体图案即引线框向外露出。交流电源输入端子R、S与单相交流电源连接，交流负载输出端子U、V、W与三相交流负载13连接。电力用引线10具有被开关元件4的开、关控制的电力转换输出入端子的功能。
电力用引线10由第三导体图案3c和第四导体图案3d构成，具有让与驱动IC7的电源垫电连接的第四导体图案3d延伸存在的端子，在该第四导体图案3d和与驱动IC7的接地垫电连接的第三导体图案3c之间，驱动IC7的工作电源从外部电源12提供。而且，通过将电容器11布置在两端子之间，则能够谋求驱动IC7的电源稳定化和工作稳定化。电容器11的设置位置越位于驱动IC7附近，对驱动IC7的电源的干扰就会越少，因而能够防止误动作。
在图1所示的结构下，电力用引线10集中在电力半导体模块1的一边上，控制用引线9集中在该电力半导体模块1的另一边上。其结果是，电力用引线10和控制用引线9相互分开而设，以满足绝缘击穿电压的要求。
将驱动IC7安装在比开关元件4离电力用引线10更近的位置，从而能够将外置电容器11和驱动IC7布置成极其接近。这样便能够谋求驱动IC7的电源的进一步稳定化，减少干扰，防止误动作。
图1中，使电容器11为外置部件，但利用使部件内置的技术，将芯片电容器安装在第三导体图案3c和第四导体图案3d之间，从而将该芯片电容器内置于电力半导体模块1内，则能够谋求驱动IC7的工作电源的进一步稳定化。
如上所述，驱动IC7靠以与之相对应的开关元件4的源极或发射极为基准的接地端子和对应于该接地端子的电源电压工作，各个驱动IC7分别靠不同的接地端子和对应于该接地端子的电源电压工作，所以将驱动IC7分别绝缘隔离；控制IC8分别靠与各个驱动IC7的接地端子不同的、控制系统的接地端子和与该接地端子相对应的电源电压工作，所以通过将各个控制IC8绝缘隔离；利用将开关元件4布置在驱动IC7附近，并利用该驱动IC7对各个控制IC8进行驱动。经上述三种措施，便能够减少电气干涉，抑制误动作。
此外，本实施方式中，驱动IC7的工作电源是从外部供来的。但除此以外，还能够使用绝缘变压器从控制IC8向驱动IC7传送电力，在内部产生电源。
图2是示出图1中的电力半导体模块的变形例的局部放大俯视图。由图2可知，与开关元件4的源极或发射极端子连接的第二导体图案3b和已安装有驱动IC7的第三导体图案3c相互分别分开，而且两导体图案3b、3c间利用焊线6d电连接，其他各方面皆与图1所示的结构相同，能够收到与图1所示的结构一样的效果。
(工业上的可利用性)
综上所述，本发明，在现有技术下实属困难的、利用双向电力开关元件构成的矩阵式转换器等电力转换装置中，使将驱动IC集中在开关元件的附近成为可能，从而能够实现高速控制、工作的稳定性和安全性等。

Claims (12)

1.一种电力半导体模块，其特征在于：包括具有含电力用引线和控制用引线的多个导体图案的基板、由双向电力半导体形成的开关元件以及对所述开关元件进行驱动的驱动集成电路，
所述开关元件安装在所述基板的第一导体图案上；
所述开关元件的源极或发射极端子与构成所述电力用引线的第二导体图案电连接；
所述驱动集成电路安装在与所述第二导体图案电连接的第三导体图案上；
所述第三导体图案靠近所述第一导体图案；
所述驱动集成电路的接地端子与所述第三导体图案电连接；
所述驱动集成电路的驱动端子与所述开关元件的栅极或基极端子电连接。
2.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
所述驱动集成电路的驱动端子和所述开关元件的栅极或基极端子之间直接利用焊线连接。
3.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
安装有所述驱动集成电路的所述第三导体图案和安装有所述开关元件的所述第一导体图案相邻。
4.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
所述第二导体图案和所述第三导体图案是连续的同一个导体图案。
5.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
成为散热器且安装有所述开关元件的金属块安装在所述第一导体图案上。
6.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
电连接有所述驱动集成电路的电源端子的第四导体图案与构成所述电力用引线的所述第二导体图案相邻且延伸，电容器连接在所述第二导体图案和所述第四导体图案之间。
7.根据权利要求6所述的电力半导体模块，其特征在于：
连接在所述第二导体图案和所述第四导体图案之间的所述电容器内置于该模块内。
8.根据权利要求6所述的电力半导体模块，其特征在于：
所述第二导体图案和所述第四导体图案在该模块外作为所述电力用引线并列设置且延伸，从而使该电力半导体模块构成为能够将电容器外置于所述第二导体图案和所述第四导体图案之间。
9.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
所述驱动集成电路安装在所述第三导体图案上的位置比所述开关元件安装在所述第一导体图案上的位置更靠近所述电力用引线。
10.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
所述电力用引线集中在该模块的一边，所述控制用引线集中在该模块的另一边，所述电力用引线和所述控制用引线分开布置而能够满足绝缘击穿电压的要求。
11.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
具有所述多个导体图案的基板由引线框构成。
12.根据权利要求1所述的电力半导体模块，其特征在于：
具有所述多个导体图案的基板由绝缘金属底基板构成。
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