CN102781712A - 功率半导体模块、电力转换装置及铁路车辆 - Google Patents
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Abstract
具有：元件对（26），由IGBT（25）和FWD群（24）反并联连接而成，该FWD群（24）中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的FWD（24a）及导通时的电压降特性具有正的温度系数的FWD（24b）串联连接；以及元件对（36），由IGBT（35）和FWD群（34）反并联连接而成，该FWD群（34）中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的FWD（34a）及导通时的电压降特性具有正的温度系数的FWD（34b）串联连接。这些元件对（26、36）并联连接而构成。
Description
技术领域
本发明涉及能够适用于铁路车辆的电力转换装置，详细而言，涉及能够搭载于该种电力转换装置的功率半导体模块。
背景技术
虽然不是限定于用于铁路车辆的模块，但是在例如下列专利文献1中，公开有具有2个将晶体管芯片和续流二极管（Fly Wheel Diode：FWD）芯片反并联连接而成的元件对的功率半导体模块（参照同文献的图1、图6）。
此外，该种功率半导体模块中，若将各元件对中的集电极端子、发射极端子及基极端子的各端子之间电连接，则成为各元件对并联连接的结构，能够作为增大了电流容量的功率半导体模块使用（常被称为“并联应用”）。
专利文献
专利文献1：日本特开昭62-202548号公报。
发明内容
然而，并联应用中的现有的功率半导体模块，由于制造上的偏差等，存在下列问题点：当一个FWD的正向饱和电压和另一个FWD的正向饱和电压之间存在一定值以上的差时，呈现出一个FWD的温度变得比另一个FWD的温度高，随着使用，两者的温度差不断扩大这样某种热失控状态。因此，在现有的并联应用中，必须以使并联连接的FWD的正向饱和电压的差成为一定值以下的方式进行拣选。
此外，功率半导体模块中，有和FWD反并联连接的开关（switching）元件（例如IGBT），关于该开关元件，也有必要和FWD一样将正向电压特性的偏差抑制在一定值以下。因此，在现有的并联应用中的功率半导体模块中，存在必须对开关元件及FWD两者同时进行拣选这种困难性，存在用于并联运用的成品率非常高，制造成本变高的问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供改善并联应用中的功率半导体模块的成品率，抑制制造成本的上升的功率半导体模块。
此外，本发明的目的在于，提供具备如上所述的功率半导体模块的电力转换装置、及具备该电力转换装置的铁路车辆。
为解决上述问题，达成目的，本发明涉及的功率半导体模块，其特征在于，具有：第一元件对，由第一开关元件、和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的第一导通元件串联连接；以及第二元件对，由第二开关元件、和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的第二导通元件串联连接，所述功率半导体模块由这些第一及第二元件对并联连接而构成。
根据本发明，达到能够提供如下的功率半导体模块的效果：能够改善并联应用中的功率半导体模块的成品率，抑制制造成本的上升。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式涉及的电力转换装置的概略的功能结构的图；
图2是概略地示出本实施方式涉及的功率半导体模块的电路结构的图；
图3是示出Si二极管的正向电压特性的图；
图4是概略地示出作为比较例示出的现有技术涉及的功率半导体模块的电路结构的图；
图5是示出SiC二极管的正向电压特性的图；
图6是示出开关元件中IGBT的接通（turn-on）时的电流模拟波形的比较图；
图7是示出和图6对应的FWD恢复（recovery）电流的模拟波形的比较图；
图8是示出SiC-MOSFET的线性区域中的电流电压特性的温度依赖性的图；
图9是和Si-IGBT及SiC-MOSFET的断开电流波形相关的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式涉及的功率半导体模块及电力转换装置。此外，本发明不局限于以下所示的实施方式。
实施方式1
首先，说明本发明的实施方式1涉及的电力转换装置。图1是示出实施方式1涉及的电力转换装置的概略的功能结构的图，表示出搭载于铁路车辆1的电力转换装置10的一个结构例。如图1所示，电力转换装置10具备转换器（converter）12、电容器（condenser）14以及逆变器（inverter）16而构成。铁路车辆1，搭载有在电力转换装置10的输入端侧配置、和转换器12连接的变压器6，以及在电力转换装置10的输出端侧配置、和逆变器16连接、接受来自电力转换装置10的电力供给而驱动车辆的电动机18。此外，作为电动机18，优选感应电动机、同步电动机。
变压器6的一次线圈的一端经由集电装置3而和架空线2连接，另一端经由车轮4和为大地电位的轨道5连接。从架空线2供给的电力，经由集电装置3输入变压器6的一次线圈，并且，在变压器6的二次线圈产生的电力输入至转换器12。
转换器12，具有由开关元件UPC、VPC构成的正侧臂（例如在U相为UPC）、和由开关元件UNC、VNC构成的负侧臂（例如在U相为UNC）分别串联连接的电路部（以下称为“桥臂”）。即，转换器12构成有具有2组（U相部分、V相部分）桥臂的单相电桥电路。
转换器12，通过PWM控制开关元件UPC、VPC、UNC、VNC，将输入的交流电压转换为所希望的直流电压而输出。
转换器12的输出端，并联连接成为直流电源的电容器14，并且，连接有逆变器16，该逆变器16将电容器14的直流电压作为输入，转换为任意电压及任意频率的交流电压而输出。
逆变器16，具有由开关元件UPI、VPI、WPI构成的正侧臂（例如在U相为UPI）、和由开关元件UNI、VNI、WNI构成的负侧臂（例如在U相为UNI）分别串联连接的桥臂。即，逆变器16构成有具有3组（U相部分、V相部分、W相部分）桥臂的3相电桥电路。
逆变器16，通过PWM控制开关元件UPI、VPI、WPI、UNI、VNI、WNI，将输入的直流电压转换为所希望的交流电压而输出。
此外，在图1中，作为本实施方式涉及的电力转换装置的优选的例子，将适用于交流输入的电车的情况作为一例示出，但是对于多用于地铁、郊外电车等的直流输入的电车，也能够同样地适用。此外，适用于直流输入的电车时，除了不需要变压器6及转换器12的结构这一点，能够采用和图1同等的结构，显然也能够将本实施方式涉及的内容适用于该直流输入的电车。
接下来，说明能够适用于本实施方式的电力转换装置的功率半导体模块。图2是概略地示出本实施方式涉及的功率半导体模块的电路结构的图。本实施方式涉及的功率半导体模块20，如图2所示，具有第一功率模块22和第二功率模块32，通过这些第一、第二功率模块22、32并联连接而构成。
此外，若为图1所示的电力转换装置，则该功率半导体模块20，能够适用于例如构成转换器12的开关元件UPC、VPC、UNC、VNC，或者能够适用于构成逆变器16的开关元件UPI、VPI、WPI、UNI、VNI、WNI。
回到图2，在第一功率模块22中，具有例如以硅（Si）为基础的Si-FWD（FWD24a）、和例如以金刚砂（碳化硅：SiC）为基础的SiC-FWD（FWD24b）串联连接的FWD群24，该串联连接的FWD群24和以硅为基础的Si-IGBT（IGBT25）反并联连接而构成元件对26。第二功率模块32的结构也同样，具有Si-FWD（FWD34a）和SiC-FWD（FWD34b）串联连接的FWD群34，该串联连接的FWD群34、和Si-IGBT（IGBT35）反并联连接而构成元件对36。
此外，从元件对26、36的各一端（Si-IGBT的各集电极端）引出的端子相互连接构成集电极电极C，从元件对26、36的各另一端（Si-IGBT的各发射极端）引出的端子相互连接构成发射极电极E。
另外，在图2中，示出了开关元件和FWD群反并联连接而成的1个元件对容纳于1个模块内（所谓“1合1（1in1）”结构）的功率模块相互并联连接的结构，但是将并联连接的元件对的一组容纳于1个模块内的结构（所谓“2合1（2in1）”结构）也可。
接下来，参照图3及图4说明在背景技术的项目中也触及到的并联应用中的热失控现象。此外，图3是示出Si二极管的正向电压特性的图。在该图3中，将Si二极管中的PN结部的结温（junction temperature）（Tj）作为参数，示出和正向饱和电压（所谓“导通电压”）相对的正向电流（所谓“导通电流”）的变化。此外，图4是概略地示出作为比较例示出的现有技术涉及的功率半导体模块的电路结构的图。
首先，Si二极管中的正向饱和电压的温度依赖性如图3所示，具有如果正向电流值相同则结温越高正向饱和电压越小的特性。即，Si二极管是导通时的电压降特性具有负的温度系数的元件。
在此，由于例如制造上的偏差，例如元件对56侧的Si-FWD（FWD54）的正向饱和电压比元件对66侧的Si-FWD（FWD64）的正向饱和电压低时，流入FWD54的电流i1变得比流入FWD64的电流i2大。
此时，功率半导体模块52和功率半导体模块62彼此并联连接，所以各Si-IGBT55、65的集电极端子和发射极端子间的电压（电位差）VCE相等。从而，FWD54的损耗VCE×i1变得比FWD64的损耗VCE×i2大，FWD54的发热量变得比FWD64的发热量大。其结果，FWD54的温度变得比FWD64的温度高，这些温度差变得更大。因此，FWD54的正向饱和电压变得比FWD64的正向饱和电压更加低，流入FWD54的电流进一步增加，从而两者的温度差进一步增大。
这样，构成功率半导体模块的一个FWD的正向饱和电压和另一个FWD的正向饱和电压之间存在差时，成为重复以下的热失控状态：温度上升→正向电压降→电流增加→温度上升→正向电压降→电流增加。此外，现实中FWD的温度上升能够用通过冷却器进行的散热现象而抑制，所以如果能将和正向饱和电压有关的制造上的偏差抑制在既定值以下（例如0.2V以下），如上所述的热失控状态便能够得到抑制。不管怎样，并联应用的功率半导体模块，必须以使并联连接的FWD的正向饱和电压的差在一定值以下的方式进行拣选。
另一方面，图5为示出SiC二极管的正向电压特性的图。图5所示的图表，将结温（Tj）作为参数，示出和正向饱和电压（导通电压）相对的正向电流（导通电流）的变化。
SiC二极管中的正向饱和电压的温度依赖性，如图5所示，具有如果正向电流值相同则结温越高正向饱和电压越大的特性，和Si二极管的特性相反。即，SiC二极管是导通时的电压降特性具有正的温度系数的元件。
从而，如图2所示，通过将Si-FWD和SiC-FWD串联连接，该串联连接的FWD群的正向饱和电压特性，成为在Si二极管的正向饱和电压特性上叠加了SiC二极管的正向饱和电压特性的特性。此时，Si二极管的温度特性以抵消SiC二极管的温度特性的方式起作用，所以FWD群中的正向饱和电压的温度依赖性和只有Si-FWD时相比变得非常小。从而，如果制造上的偏差等导致的相互并联连接的Si-FWD的正向电压特性没有极端的差，则热失控现象消失，所以元件拣选的时间及劳力的削减成为可能，元件拣选的困难性得到解决。
此外，构成FWD群的各FWD（Si-FWD、SiC-FWD）能够使用耐压比反并联连接的开关元件的耐压（Si-IGBT的集电极—发射极之间的耐压）小的元件，所以能够成为低价格的功率模块，能够有助于装置的低成本化。
接下来，对由于Si-FWD和SiC-FWD的串联连接而产生的效果进行进一步的补充说明。
首先，Si二极管的制造技术相比较而言已经确立，即使提高耐压也不会变得高价。与此相对，SiC二极管的制造历史比较短，所以高耐压的元件价格非常高。然而，若将Si-FWD和SiC-FWD串联连接，则能够用Si-FWD和SiC-FWD分担（分压）反并联连接的开关元件整体的耐压，所以能够使SiC-FWD的耐压变得比开关元件整体的耐压小。
例如，作为铁路车辆用的电力转换装置使用的开关元件，要求3.3kV的耐压时，串联连接的FWD群也要求同等的耐压，而此时，如果考虑Si-FWD及SiC-FWD的各泄漏电流而设计，例如能够以使Si-FWD的耐压为3.0kV、使SiC-FWD的耐压为0.3kV的方式的设计。
用于铁道车辆用的电力转换装置的开关元件，可以说其制造成本和耐压成比例，通过降低串联连接的SiC-FWD的耐压，能够抑制制造成本的上升。
在此，二极管元件的耐压，几乎由泄漏电流的大小而决定。串联连接两个二极管元件时，流入这两个二极管的电流相同，所以和泄漏电流大的元件相比，泄漏电流小的元件一方的施加电压变大。从而，和泄漏电流大的元件相比，泄漏电流小的元件一方要求大的耐压。从而，如果是上述的例子，和Si-FWD相比SiC-FWD一方的泄漏电流大。
此外，上述的例子是Si-FWD的耐压VSi和SiC-FWD的耐压VSiC的分担比VSi/VSiC为VSi/VSiC=10的情况，但并不局限于此例。例如如果进行VSi/VSiC>1的设计，从抑制并用SiC-FWD时的成本增加的观点，可以说会获得充分的抑制效果。
另一方面，和上述例子相反，例如也能够以使Si-FWD的耐压为1.5kV、使SiC-FWD的耐压为1.8kV的方式设计。通过并用和Si-FWD相比导通电压小的SiC-FWD，获得能够减小FWD群整体的导通电压的效果。此外，上面也说明过，进行这种设计时，使想要降低耐压的一方的元件，即Si-FWD的泄漏电流比SiC-FWD的泄漏电流大即可。
此外，鉴于上述观点，也能够将Si-FWD和SiC-FWD的耐压分配同等地设计。该例有能够进行兼顾制造成本上的优点和降低导通电压的优点的设计的效果。
此外，Si-FWD和SiC-FWD的耐压分配的设定方法，从高耐压SiC-FWD的制造技术的进展和成本优势的观点来看，能够在制造时任意地决定。在此意义上，将Si-FWD和SiC-FWD串联连接的意义非常重大。
如上述说明，根据本实施方式的功率半导体模块，Si-IGBT和FWD群反并联连接而成构成元件对，该FWD群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的Si-FWD及导通时的电压降特性具有正的温度系数的SiC-FWD串联连接，该元件对形成两个，该两个元件对并联连接而构成，所以能够抑制制造上的偏差等导致的热失控减少，元件拣选时间及劳力的削减成为可能，能够谋求设计、制造的简易化。
此外，根据本实施方式的功率半导体模块，能够将并联应用中的一个FWD的正向饱和电压和另一个FWD的正向饱和电压之间的偏差的容许值相比以往扩大，所以能够改善并联应用中的功率半导体模块的成品率，抑制制造成本的上升。
此外，根据本实施方式的功率半导体模块，能够用Si-FWD和SiC-FWD分担反并联连接的开关元件整体的耐压，所以Si-FWD及SiC-FWD都能够使用低耐压产品，能够进行FWD的低成本化，因此，能够有助于半导体功率模块的低成本化及电力转换装置的低成本化。
此外，本实施方式中，作为串联连接的两个半导体元件，展示了使用1个SiC-FWD元件和1个Si-FWD元件的例子，但是不需要各自为1个元件。例如，可以将多个SiC-FWD元件和1个Si-FWD元件串联连接，也可以将1个SiC-FWD元件和多个Si-FWD元件串联连接。
此外，本实施方式中，展示了在构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件的一个中使用SiC-FWD的例子，但是本发明并不局限于该SiC-FWD。SiC是被称为宽带隙半导体的半导体的一例，该SiC之外，例如使用氮化镓类材料、或者金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，其特性也存在许多和SiC类似的点。从而，使用SiC之外的其他宽带隙半导体的结构也达成本发明的要旨。
此外，本实施方式中，展示了在构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件的另一个中使用Si-FWD的例子，但是本发明并不局限于该Si-FWD。Si是被称为窄带隙半导体的半导体的一例，只要是如图3所示的导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体，也可以使用其他的半导体。
此外，本实施方式中，作为构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件，公开了两者都使用了具有单向导通性的二极管的结构，但是只要任意一个为具有单向导通性的元件即可，另一个可以不具有单向导通性。即，构成FWD群的一个为单向性导通元件时，另一个可以是不具有单向性的导通元件。但是，这些单向性导通元件和导通元件之间，导通时的电压降特性需要相互具有逆特性。
实施方式2
实施方式1中，展示了在构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件的一个中使用SiC-FWD，另一个中使用Si-FWD的例子，而实施方式2中，说明作为SiC-FWD使用SiC肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode）（SiC-SBD）的例子。
SiC-SBD，因其结构特性，具有电流导通时的电压降特性必然具有正的温度系数的特征。因此，通过将具有正的温度系数的SiC-SBD和具有负的温度系数的Si-FWD串联连接，能够抑制制造上的偏差等导致的热失控，能够削减元件拣选的时间及劳力、谋求设计、制造的简易化。
此外，作为SiC-FWD使用SiC-SBD时，例如在图1的逆变器16中，能够降低动作中的导通开关（on switching）损耗。因此，如果使用SiC-SBD，能够将电力转换设备的冷却器小型化，提高节能效果。此外，这里所说的导通开关损耗是指，例如，如果是图1的逆变器16，例如开关元件UNI从断开状态转移至导通状态的接通（turn on）时，开关元件UNI的晶体管元件发生的过渡性损耗（接通损耗）以及和开关元件UPI中晶体管元件反并联连接的FWD群发生的过渡性损耗（恢复损耗）之和。即，为构成1个桥臂的一个臂元件从断开状态转移至导通状态时晶体管元件侧发生的接通损耗、和另一个臂元件从导通状态转移至断开状态时FWD侧（FWD群）发生的关断（turn off）损耗之和。
图6是示出开关元件中IGBT的关断时的电流模拟波形的比较图。图6中，示出作为FWD使用1个Si二极管元件时、和将1个Si二极管元件和1个SiC-SBD元件串联连接时的开关波形。在此，用于计算的主要参数如下。
（1）Si-FWD及SiC-SBD的各元件模型的额定值
（a）额定电压：600V左右；
（b）额定电流：20A左右；
（2）开关波形的计算条件；
（a）负载电流：18A；
（b）电压：350V。
此外，图7是示出和图6对应的FWD恢复电流的模拟波形的比较图。一般而言，恢复电流的峰值及恢复电流的时间宽度越大，接通损耗和恢复损耗变得越大。另一方面，如本实施方式，从作为FWD只使用1个Si二极管元件的结构，到使用1个Si二极管元件和1个SiC-SBD元件的串联连接结构，能够大幅度地减小恢复电流的峰值及恢复电流的时间宽度双方。就是说，根据本实施方式的结构，能够使接通损耗和恢复损耗双方都变得非常小。
在此，只显示结果，根据本模拟，接通损耗从0.34mJ/脉冲减少至0.11mJ/脉冲，恢复损耗从0.45mJ/脉冲减少至1μJ/脉冲。从而，接通损耗和恢复损耗之和，即导通开关损耗从0.79mJ变为0.111mJ，为约86%的减少率。
此外，上述例子是使用额定电压600V、额定电流20A左右的元件时的计算例，而如果额定电压及额定电流变大，能够期待进一步的导通开关损耗的减少。使额定电压及额定电流变大时，必然地，Si二极管的芯片厚度（基板厚度）变大，所以Si二极管中耐压层的体积增大。如果Si二极管中耐压层的体积增大，则该耐压层积蓄的电荷变大。因此，在只有Si二极管时，包含扫除该积蓄电荷时的电流的恢复电流，和额定电压及额定电流对应变得非常大。另一方面，SiC-SBD的恢复电流不因额定电压及额定电流变化，几乎固定。因此，如果额定电压及额定电流变大，则导通开关损耗的降低效果必然地变大。
此外，在本实施方式中，展示了在构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件的一个中使用SiC-SBD的例子，但是本发明并不局限于该SiC-SBD。SiC是被称为宽带隙半导体的半导体的一例，该SiC之外，例如使用氮化镓类材料、或者金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，其特性也存在许多和SiC类似的点。从而，使用SiC之外的其他宽带隙半导体的结构也达成本发明的要旨。
此外，本实施方式中，作为串联连接的两个半导体元件，展示了使用1个SiC-SBD元件和1个Si-FWD元件的例子，但是不需要各自为1个元件。例如，可以将多个SiC-SBD元件和1个Si-FWD元件串联连接，也可以将1个SiC-SBD元件和多个Si-FWD元件串联连接。
此外，本实施方式中，展示了在构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件的另一个中使用Si-FWD的例子，但是本发明并不局限于该Si-FWD。Si是被称为窄带隙半导体的半导体的一例，使用如图3所示的导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体的结构也包含于本发明的要旨中。
此外，本实施方式中，作为构成功率半导体模块中FWD群的半导体元件，公开了两者都使用了具有单向导通性的二极管（SiC-SBD及Si-FWD）的结构，但是和SiC-SBD串联连接的元件也可以不是具有单向导通性的元件，也可以是普通的导通元件。
此外，如果是导通时的电压降特性具有正的温度系数的元件，只有该元件时，动作上稳定，不会呈现上述热失控状态。从而，和SiC-SBD串联连接的二极管元件导通时的电压降特性，可以是正负任意的电压降特性。
实施方式3
实施方式1、2中，作为开关元件中的晶体管元件，使用Si-IGBT（参照图2），但本实施方式中，说明用SiC-MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）代替并联应用中的两个Si-IGBT的结构。实施方式1、2中，着眼于并联应用中一个FWD的正向饱和电压和另一个FWD的正向饱和电压的偏差，程度虽不及FWD，但取决于使用方式，有时晶体管元件需要该种元件间的偏差。
图8是示出SiC-MOSFET的线性区域中电流电压特性的温度依赖性的图。SiC-MOSFET如图8所示，电流导通时的电压降特性具有正的温度系数，所以并联连接时以相互平衡的方式动作。进而，SiC-MOSFET，例如N-沟道MOSFET，是承担电流的电荷只有电子的单极器件，所以从导通状态转移到断开状态的关断时，SiC-MOSFET内部几乎没有残留电荷。因此，作为开关元件中的晶体管元件，通过用SiC-MOSFET取代Si-IGBT，能够改善并联应用中晶体管元件的并联平衡，能够改善半导体模块整体的成品率、抑制制造成本的上升。
此外，图9是和Si-IGBT及SiC-MOSFET的关断电流波形有关的示意图。因为Si-IGBT存在如图所示的拖尾（tail）电流，所以存在该拖尾电流导致的关断损耗。另一方面，因为SiC-MOSFET是几乎没有残留电荷的结构，所以几乎没有关断时的拖尾电流。因此，作为开关元件中的晶体管元件，通过用SiC-MOSFET取代Si-IGBT，能够降低关断损耗，能够将电力转换设备的冷却器小型化，提高节能效果。
此外，上面没有特别对Si-IGBT的温度特性进行说明，但是通过设计，Si-IGBT能够制造具有正的温度特性的元件、具有负的温度特性的元件的任一种。另一方面，MOSFET那样的单极器件（单极型的开关元件），不局限于SiC，必然地具有正的温度系数，所以构成本实施方式的功率半导体模块的设计简单，是对本实施方式的功率半导体模块非常有用的器件。
此外，本实施方式中，展示了作为开关元件中的晶体管元件使用SiC-MOSFET的例子，但是本发明并不局限于该SiC-MOSFET。SiC是被称为宽带隙半导体的半导体的一例，该SiC之外，例如使用氮化镓类材料、或者金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，其特性也存在许多和SiC类似的点。从而，使用SiC之外的其他宽带隙半导体的结构也达成本发明的要旨。
以上说明了实施方式1~3涉及的功率半导体模块的结构例，这些实施方式1~3的功率半导体模块优选使用于搭载于铁路车辆、汽车的电力转换装置。作为车载用途使用时，在制动时或再生运转时，FWD侧的通电电流会变得非常大，所以和上述模拟结果中也有显示的那样，导通开关损耗的降低效果变大，对电力转换装置的效率改善、成本削减有效。
产业上的利用可能性
如上，本发明作为能够改善并联应用中的功率半导体模块的成品率、抑制制造成本上升的功率半导体模块是有用的。
符号说明
1 铁路车辆；2 架空线；3 集电装置；4 车轮；5 轨道；6 变压器；10 电力转换装置；12 转换器；14 电容器；16 逆变器；18 电动机；20 功率半导体模块；22 第一功率模块；24，34 FWD群；24a，34a FWD（Si-FWD）；24b，34b FWD（SiC-FWD）；25，35 IGBT（Si-IGBT）；26 元件对（第一元件对）；32 第二功率模块；36 元件对（第二元件对）；C 集电极电极；E 发射极电极；UNC，VNC，UNI，VNI，WNI，UPC，VPC，UPI，VPI，WPI 开关元件。
Claims (22)
1.一种功率半导体模块，其特征在于，具有：
第一元件对，由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接；以及
第二元件对，由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
这些第一及第二元件对并联连接而构成。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：
所述第一及第二导通元件为单向性导通元件。
3.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：
所述第一及第二开关元件为用宽带隙半导体形成的单极型的开关元件。
4.如权利要求1~3的任意一项所述的功率半导体模块，其特征在于：
所述宽带隙半导体为使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体。
5.一种电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出，其特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接。
6.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一及第二导通元件为单向性导通元件。
7.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一及第二开关元件为用宽带隙半导体形成的单极型的开关元件。
8.如权利要求5~7的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于：
所述宽带隙半导体用使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体而形成。
9.一种铁路车辆，具备：
电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出；以及
电动机，接受来自所述电力转换装置的电力供给而驱动车辆，
该铁路车辆的特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，宽带隙半导体所形成的肖特基势垒型的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接。
10.一种功率半导体模块，其特征在于，具有：
第一元件对，由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接；以及
第二元件对，由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
这些第一及第二元件对并联连接而构成，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压小，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压小。
11.一种功率半导体模块，其特征在于，具有：
第一元件对，由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接；以及
第二元件对，由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
这些第一及第二元件对并联连接而构成，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压大，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压大。
12.一种功率半导体模块，其特征在于，具有：
第一元件对，由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接；以及
第二元件对，由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
这些第一及第二元件对并联连接而构成，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度。
13.如权利要求10~12的任意一项所述的功率半导体模块，其特征在于：
所述第一及第二导通元件为单向性导通元件。
14.如权利要求10~12的任意一项所述的功率半导体模块，其特征在于：
所述宽带隙半导体用使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体而形成。
15.一种电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出，其特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压小，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压小。
16.一种电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出，其特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压大，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压大。
17.一种电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出，其特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度。
18.如权利要求15~17的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一及第二导通元件为单向性导通元件。
19.如权利要求15~17的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于：
所述宽带隙半导体用使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体而形成。
20.一种铁路车辆，具备：
电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出；以及
电动机，接受来自所述电力转换装置的电力供给而驱动车辆，
该铁路车辆的特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压小，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压小。
21.一种铁路车辆，具备：
电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出；以及
电动机，接受来自所述电力转换装置的电力供给而驱动车辆，
该铁路车辆的特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，比所述第一单向性导通元件的耐压大，
所述第二导通元件的耐压，比所述第二单向性导通元件的耐压大。
22.一种铁路车辆，具备：
电力转换装置，具有多组桥臂，该桥臂由构成正侧臂的功率半导体模块、和构成负侧臂的功率半导体模块串联连接而成，该电力转换装置将施加在并联连接的多组桥臂的直流电压或交流电压转换为所希望的交流电压而输出；以及
电动机，接受来自所述电力转换装置的电力供给而驱动车辆，
该铁路车辆的特征在于：
所述各功率半导体模块由第一元件对和第二元件对并联连接而构成，
所述第一元件对由第一开关元件和第一元件群反并联连接而成，该第一元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第一单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第一导通元件串联连接，
所述第二元件对由第二开关元件和第二元件群反并联连接而成，该第二元件群中，导通时的电压降特性具有负的温度系数的窄带隙半导体所形成的第二单向性导通元件和导通时的电压降特性具有正的温度系数的宽带隙半导体所形成的第二导通元件串联连接，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度，
所述第一导通元件的耐压，和所述第一单向性导通元件的耐压为相同程度。
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