CN103765749B - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能利用一个装置选择性地实现多种电路的、富有通用性的半导体装置。并且，本发明在半导体装置（SD1H）中利用外部布线（L11）来对E1C2用端子（24H）、K用端子（25H）之间进行电连接，从而实现与上臂用半导体装置等效的电路。另一方面，在具有与半导体装置（SD1H）相同结构的电路的半导体装置（SD1L）中，利用外部布线（L12）来将A用端子（23L）、E1C2用端子（24L）之间进行电连接，从而实现与上臂用半导体装置不同种类的与下臂用半导体装置等效的电路。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及将多个自关断元件串联连接而构成的电路内置于壳体内的半导体装置。

背景技术

一直以来，由IGBT等自关断元件构成的半导体装置通常采用将电路收纳在壳体内的结构。例如专利文献1公开了将多个自关断元件串联连接构成的半导体装置（开关模块）。

在使用这种半导体装置，例如利用两个半导体装置来构成NPC（Neutral-Point-Clamped:中性点钳位）方式三电平逆变器用半导体装置中的各相的情况下，需要用于上臂和用于下臂的两种不同的半导体装置作为构成要素。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平10-14260号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

如上所述，在由上臂用半导体装置和下臂用半导体装置构成NPC方式三电平逆变器的一相的情况下，需要两种半导体装置，因而存在组装时可能会弄错半导体装置并安装的问题。此外，在采用针对每个种类改变半导体装置的表面颜色等对策，以作为防止上述安装错误的对策的情况下，存在半导体装置的制造工艺需要额外用于上述对策的特殊工序的问题。

本发明解决上述问题，其目的在于获得一种半导体装置，该半导体装置具有通用性，在例如在由上臂用半导体装置和下臂用半导体装置构成NPC方式三电平逆变器的一相的情况等、半导体装置的电路构成元件相同但连接关系部分不同的情况下，也能利用一个装置来选择性地实现多种电路。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的半导体装置包括：串联连接的第1及第2自关断元件；第1及第2二极管，该第1及第2二极管的阴极与所述第1及第2自关断元件的第1电极相连，其阳极与第2电极相连；第3二极管；以及壳体，该壳体收纳所述第1及第2自关断元件以及所述第1至第3二极管，所述第3二极管在所述壳体内与所述第1及第2自关断元件、以及所述第1及第2二极管均绝缘。

发明效果

权利要求1所述的本发明的第3二极管与第1及第2自关断元件、以及所述第1及第2二极管（以下，简称为“两组自关断元件组”）均绝缘，因此在收纳于壳体的状态下，与两组自关断元件组不具有任何电连接关系。

因此，利用壳体外部的外部布线来进行第3二极管与两组自关断元件组的电连接关系，从而与两组自关断元件组之间具有多种电连接关系，由此能作为两组自关断元件组与第3二极管的组合电路来实现多种电路，其结果是，起到能获得富有通用性的半导体装置的效果。

本发明的目的、特征、方面、以及优点可通过下面的详细说明和附图将更清楚。

附图说明

图1是示意性地将实施方式1的半导体装置的电路结构与外部端子一同示出的说明图。

图2是示意性地示出利用两个图1所示的实施方式1的半导体装置来构成三电平逆变器的一相时的外部布线连接例的说明图。

图3是示意性地将实施方式2的半导体装置的电路结构与外部端子一同示出的说明图。

图4是表示作为基础技术的NPC方式三电平逆变器的一相的电路结构的电路图。

图5是表示图4所示的上臂用半导体装置及下臂用半导体装置各自的电路结构的电路图。

图6是表示三相三电平逆变器的电路结构的电路图。

具体实施方式

<基础技术>

图4是表示现有的NPC方式三电平逆变器的一相的电路结构的电路图。如图4所示，逆变器的一相由上臂用半导体装置81H和下臂用半导体装置81L构成。

图5是表示上臂用半导体装置81H和下臂用半导体装置81L各自的电路结构的电路图。如图5(a)所示，上臂用半导体装置81H由IGBT41、42、以及二极管D41、D42、D46构成。

IGBT41的集电极与集电极端子C1相连，发射极与发射极端子E1相连，栅极与栅极端子G1相连。并且，二极管D41的阳极与IGBT41的发射极相连，阴极与IGBT41的集电极相连。即，二极管D41与IGBT41反向并联连接。

IGBT42的集电极与集电极端子C2相连，发射极与发射极端子E2相连，栅极与栅极端子G2相连。并且，二极管D42的阳极与IGBT42的发射极相连，阴极与IGBT42的集电极相连。即，二极管D42与IGBT42反向并联连接。

另外，IGBT41侧的发射极端子C1与IGBT42侧的集电极端子C2相连，由此，IGBT41与IGBT42串联连接。

并且，二极管D46的阳极与阳极端子A1相连，阴极与集电极端子C2以及发射极端子E1相连。

另一方面，如图5(b)所示，下臂用半导体装置81L由IGBT43、44、以及二极管D43、D44、D45构成。

IGBT43的集电极与集电极端子C3相连，发射极与发射极端子E3相连，栅极与栅极端子G3相连。并且，二极管D43的阳极与IGBT43的发射极相连，阴极与IGBT43的集电极相连。即，二极管D43与IGBT43反向并联连接。

IGBT44的集电极与集电极端子C4相连，发射极与发射极端子E4相连，栅极与栅极端子G4相连。并且，二极管D44的阳极与IGBT44的发射极相连，阴极与IGBT44的集电极相连。即，二极管D44与IGBT44反向并联连接。

另外，IGBT43侧的发射极端子C3与IGBT44侧的集电极端子C4相连，由此，IGBT43与IGBT44串联连接。

并且，二极管D45的阴极与阴极端子K3相连，阳极与集电极端子C4以及发射极端子E3相连。

通过将图5所示的上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相组合，从而能如图4所示那样构成逆变器的一相。

即，利用外部布线等来如下那样与上臂用半导体装置81H的阳极端子A1之间电连接。

（a）上臂用半导体装置81H的发射极端子E2与下臂用半导体装置81L的集电极端子C3电连接（图中，表示为集电极·发射极端子C3E2），

（b）上臂用半导体装置81H的阳极端子A1与下臂用半导体装置81L的阴极端子K3电连接（图中，表示为阳极·阴极端子A1K3）。

图6是表示三相（U相、V相、W相）三电平（三个电压电平）逆变器的电路结构的电路图。如该图所示，U相用逆变器由上臂用半导体装置81HU以及下臂用半导体装置81LU构成，呈现为与图4所示的上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相同的结构以及连接结构。

在上臂用半导体装置81HU以及下臂用半导体装置81LU中，示出了G1U～G4U以及E1U～E4U作为IGBT41～44的栅极端子以及发射极端子。此外，示出了阳极·阴极端子AK作为二极管D45的阴极与二极管D46的阳极的连接端子。

V相用逆变器由上臂用半导体装置81HV以及下臂用半导体装置81LV构成，呈现为与图4所示的上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相同的结构以及连接结构。然而，不同点在于，与图4的IGBT41～44相对应的是IGBT51～54，与图4的二极管D41～D46相对应的是二极管D51～D56。

并且，在上臂用半导体装置81HV以及下臂用半导体装置81LV中，示出了G1V～G4V以及E1V～E4V作为IGBT51～54的栅极端子以及发射极端子。此外，示出了上述阳极·阴极端子AK作为二极管D55的阴极与二极管D56的阳极的连接端子。

W相用逆变器由上臂用半导体装置81HW以及下臂用半导体装置81LW构成，呈现为与图4所示的上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相同的结构以及连接结构。然而，不同点在于，与图4的IGBT41～44相对应的是IGBT61～64，与图4的二极管D41～D46相对应的是二极管D61～D66。

并且，在上臂用半导体装置81HW以及下臂用半导体装置81LW中，示出了G1W～G4W以及E1W～E4W作为IGBT61～64的栅极端子以及发射极端子。此外，示出了阳极·阴极端子AK作为二极管D65的阴极与二极管D66的阳极的连接端子。

U相、V相、W相共用阳极·阴极端子AK，与上臂用半导体装置81HU的发射极端子以及下臂用半导体装置81LU的集电极端子电相连的集电极·发射极端子C3E2U成为U相用的输出端子。

同样，与上臂用半导体装置81HV的发射极端子以及下臂用半导体装置81LV的集电极端子电连接的集电极·发射极端子C3E2V成为V相用的输出端子，与上臂用半导体装置81HW的发射极端子以及下臂用半导体装置81LW的集电极端子电连接的集电极·发射极端子C3E2W成为W相用的输出端子。

此外，IGBT41、IGBT51以及IGBT61的集电极公共连接至第1电源线VL1，IGBT44、IGBT54以及IGBT64的发射极公共连接至第2电源线VL2。第1电源线VL1和第2电源线VL2上施加有例如正的电源电压以及接地电平。

由此，对于构成三电平逆变器的情况，需要准备上臂用半导体装置81H（81HU、81HV、81HW）以及下臂用半导体装置81L（81LU、81LV、81LW）这两种半导体装置。

因此，具有在组装三电平逆变器时、会错误安装上臂用半导体装置81H和下臂用半导体装置81L的问题。

在采用在上臂用半导体装置81H和下臂用半导体装置81中改变壳体颜色等对策作为针对该问题的对策的情况下，需要在半导体装置的制造工艺中增加涂布不同颜色的特殊工序，因而存在会导致制造成本增大的问题。

以下所述的实施方式提供一种能由一个装置来选择性地实现上臂用半导体装置81H和下臂用半导体装置81L的富有通用性的半导体装置。

<实施方式1>

图1是示意性地将实施方式1的半导体装置的电路结构与外部端子一同示出的说明图。图1(a)表示壳体的平面结构以及内部电路，图1(b)表示图1(a)的A-A剖面。

如图1所示，实施方式1的半导体装置SD1由设置在壳体1内的中央部13的N型的IGBT11、12以及二极管D1～D3、壳体1外的阶梯部14以及设置在阶梯部15上的外部端子21～25构成。

IGBT11的集电极（第1电极）与C1（集电极）用端子21（第1电极用端子）相连，二极管D1的阳极与IGBT11的发射极相连，阴极与IGBT11的集电极相连。即，二极管D1与IGBT11反向并联连接。

IGBT12的发射极（第2电极）与E2（发射极）用端子22（第2电极用端子）相连，二极管D2的阳极与IGBT12的发射极相连，阴极与IGBT12的集电极（第1电极）相连。即，二极管D2与IGBT12反向并联连接。

另外，IGBT11侧的发射极与IGBT12的集电极以及E1C2用端子24（公共电极用端子）相连。即，IGBT11以及IGBT12串联连接。

并且，二极管D3的阳极与A用端子23（阳极用端子）相连，阴极与K用端子25（阴极用端子）相连。

并且，二极管D3在壳体1内与IGBT11、IGBT12、以及二极管D1、D2均保持绝缘关系。

上述外部端子21～25均设置在壳体1的外部，能连接外部布线。并且，C1用端子21以及E2用端子22设置在阶梯部14上，该阶梯部14成为俯视壳体1时的左边附近区域，A用端子23、E1C2用端子24以及K用端子25设置在阶梯部15上，该阶梯部15上成为俯视壳体1的右边附近区域。

图2是利用两个图1所示的实施方式1的半导体装置SD1来示意性表示构成三电平逆变器的一相时的外部布线连接例的说明图。该图中，利用外部布线L1～L4以及外部布线L11、L12将分别具有与半导体装置SD1相同的壳体1内的电路结构的半导体装置SD1H与半导体装置SD1L相连。下面，具体进行连接。另外，为便于说明，将半导体装置SD1H侧的外部端子记为端子21H～25H，将半导体装置SD1L侧的外部端子记为端子21L～25L。

如图2所示，在半导体装置SD1H中，利用外部布线L11来对E1C2用端子24H、K用端子25H之间进行电连接，从而能将IGBT11的发射极以及IGBT12的集电极与二极管D3的阴极电连接。其结果，能实现与图5(a)所示的上臂用半导体装置81H相等效的电路。

另一方面，在半导体装置SD1L中，利用外部布线L12来对A用端子23Ｌ、E1C2用端子24之间进行电连接，从而能将IGBT11的发射极以及IGBT12的集电极与二极管D3的阳极电连接。其结果，能实现与图5(b)所示的下臂用半导体装置81L相等效的电路。

由此，在实施方式1中，在使用壳体1内的电路结构相同的半导体装置SD1（SD1H、SDL1）的同时，改变A用端子23、E1C2用端子24以及K用端子25之间的连接关系，从而能选择性地实现与上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相等效的半导体装置。

并且，如半导体装置SD1H与半导体装置SD1L的连接那样，利用外部布线L1将A用端子23H与K用端子25L电连接，利用外部布线L4将E2用端子22H与C1用端子21L电连接。

此外，在半导体装置SD1H的C1用端子21H、A用端子23H之间设置内插于电源用电容器C11的外部布线L2，并在半导体装置SD1L的E2用端子22L、K用端子25L之间设置内插于电源用电容器C12的外部布线L3。另外，这些外部布线L2及L3例如串联设置在图6所示的第1及第2电源线VL1与VL2之间。

实施方式1的半导体装置SD1（SD1H、SD1L）中的二极管D3（第3二极管）与IGBT11、12（第1及第2自关断元件）以及二极管D1、D2（以下，简称为“两组自关断元件组”）均绝缘，因此，在收纳于壳体1内的状态下，与两组自关断元件组不具有任何电连接关系。

因此，利用壳体1外部的外部布线L11、L12进行二极管D3与两组自关断元件组的电连接关系，与两组自关断元件组具有两种电连接关系，从而能作为两组自关断元件组与二极管D3的组合电路来实现两种电路（相当于上臂用半导体装置81H或者下臂用半导体装置81L）。其结果，起到能获得富有通用性的半导体装置的效果。

具体而言，能获得如下相当于上臂用半导体装置81H的第1组合电路，该第1组合电路中，利用外部布线L11将E1C2用端子24H（公共电极用端子）与K用端子25H（阴极用端子）电连接，使得IGBT11的发射极（第2电极）以及IGBT12的集电极（第1电极）与二极管D3的阴极电连接。

另一方面，能获得如下相当于下臂用半导体装置81L的第2组合电路，该第2组合电路中，利用外部布线L12将E1C2用端子24L与A用端子23L电连接，使得IGBT11的发射极以及IGBT12的集电极与二极管D3的阳极电连接。

其结果是，实施方式1的半导体装置SD1变更外部布线的使用方法（采用外部布线L11及L12中的某一个），从而实现上述第1及第2组合电路，由此能获得富有通用性且内部具有IGBT的半导体装置。

对于形成有C1用端子21及E2用端子22的第1及第2部位（阶梯部14上）、以及形成有A用端子23、E1C2用端子24以及K用端子25的第3～第5部位（阶梯部15上），分别配置在不同边的附近区域（端子21、22配置在俯视壳体1时的左边附近的阶梯部14上，端子23～24配置在俯视壳体1时的右边附近的阶梯部15上）。因此，能比较简单地分离形成IGBT11、12用的外部布线L4、以及二极管D3用的外部布线L1。

此外，由于阶梯部14和阶梯部15存在于彼此相对的边的附近区域，因此能最可靠地分离形成IGBT11、12用的外部布线、L4、二极管D3用的外部布线L1，而不会有交叉。

另外，半导体装置SD1中，（配置有C1用端子21的）第1部位及（配置有A用端子23的）第4部位包含距图中的上边比较近的部分，（配置有E2用端子22的）第2部位及（配置有K用端子25的）第5部位包含距离图中的下边（与上边相对）比较近的部分。即，C1用端子21、A用端子23设置在俯视壳体1时的上边侧，E2用端子22、K用端子25设置在俯视壳体1时的下边侧。

因此，能够使用布线长度比较短的外部布线L2、L3将电源用电容器C11及C12（第1及第2电源用电容器）设置在C1用端子21与A用端子23之间以及E2用端子22与K用端子25之间，因此能降低该外部布线L2、L3的电感，起到能降低IGBT11、12的关断切换时的浪涌电压的效果。

<实施方式2>

图3是示意性地将实施方式2的半导体装置的电路结构与外部端子一同示出的说明图。图3(a)表示壳体的平面结构以及内部电路，图3(b)表示图3(a)的不规则B-B剖面。

如图3所示，实施方式2的半导体装置SD2由设置在壳体2内的主要部16的IGBT11、12及二极管D1～D3、以及设置在壳体2外的阶梯部17上的外部端子31～35构成。

IGBT11的集电极与C1（集电极）用端子31相连，二极管D1与IGBT11反向并联连接。IGBT12的发射极与E2（发射极）用端子32相连，二极管D2与IGBT12反向并联连接。

另外，IGBT11侧的发射极与IGBT12的集电极以及E1C2用端子34相连。即，IGBT11以及IGBT12串联连接。

并且，二极管D3的阳极与A用端子33相连，阴极与K用端子35相连。二极管D3与实施方式1同样，在壳体2内与IGBT11、IGBT12、以及二极管D1、D2均保持绝缘关系。

上述外部端子31～35均设置在壳体2的外部，能与外部布线相连接。外部端子31～35均形成在设置于俯视壳体2时的左边及上边的阶梯部17上。即，C1用端子31以及E2用端子32设置在阶梯部17上的、俯视壳体2时的左边附近区域上，A用端子33、E1C2用端子34以及K用端子35设置在阶梯部17上的、俯视壳体2时的上边附近区域上。

能够利用两个实施方式2的半导体装置SD2构成三电平逆变器的一相。其连接内容在实质上与图2所示的实施方式1的两个半导体装置SD1（SD1H、SD1L）的连接内容相同。即，通过将图2的外部端子21～25（21H～25H、21L～25L）替换为外部端子31～35（31H～35H、31L～35L），与图2同样地设置外部布线L1～L4、L11、L12以及电源用电容器C11、C12，由此能构成与图2等效的三电平逆变器的一相。

由此，在实施方式2中，在使用与实施方式1相同的半导体装置SD2的同时，改变A用端子33、E1C2用端子34以及K用端子35之间的连接关系，从而能选择性地实现与上臂用半导体装置81H以及下臂用半导体装置81L相等效的半导体装置。

实施方式2的半导体装置SD2中的二极管D3与IGBT11、12以及二极管D1、D2（以下，简称为“两组自关断元件组”）均绝缘，因此在收纳于壳体2内的状态下，与两组自关断元件组没有任何电连接关系。

因此，利用壳体2外部的外部布线L11、L12（与其等效的布线）进行二极管D3与两组自关断元件组的电连接关系，与两组自关断元件具有两种电连接关系，从而能作为两组自关断元件组与二极管D3的组合电路来实现两种电路（相当于上臂用半导体装置81H或者下臂用半导体装置81L）。其结果是，实施方式2的半导体装置SD2与实施方式1同样，起到能获得富有通用性的半导体装置的效果。

对于形成有C1用端子31及E2用端子32的第1及第2部位（阶梯部17中的俯视壳体2时的左边附近区域），和形成有A用端子33、E1C2用端子34以及K用端子35的第3～第5部位（阶梯部17中的俯视壳体2时的上边附近区域），虽然其是彼此相邻关系，但是位于不同边的附近区域。因此，能比较简单地分离形成IGBT11、12用的外部布线L4、以及二极管D3用的外部布线L1。

在上述实施方式1和实施方式2中，使用了IGBT作为自关断元件，但也可以使用以MOSFET为代表的FET（场效应晶体管）。在使用FET的情况下，可以使用FET的体漏（body-drian）间的寄生二极管来作为上述二极管D1、D2（参照图1～图3）。

例如，在图1所示的实施方式1的结构中，考虑使用N型的第1及第2FET来代替N型的IGBT11及12的变形例。该情况下，第1FET的漏极电极（第1电极）与相当于C1用端子21的端子相连，二极管D1的阳极与第1FET的源极电极（第2电极）相连，阴极与第1FET的漏极电极相连。

并且，第2FET的源极电极（第2电极）与相当于E2用端子22的端子相连，二极管D2的阳极与第2FET的源极电极相连，阴极与第2FET的漏极电极（第1电极）相连。

如上那样具有第1及第2FET的半导体装置的变形例与实施方式1和实施方式2同样，通过变更外部布线的使用方法，从而实现上述第1及第2组合电路，由此起到能获得富有通用性、内部具有FET作为自关断元件的半导体装置的效果。

虽然详细说明了本发明，但上述说明在所有的方面都是举例示出，本发明并不局限于此。未举例示出的无数的变形例可解释为是在不脱离本发明的范围内可设想到的。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：

串联连接的第1及第2自关断元件(11，12)；

第1及第2二极管，该第1及第2二极管的阴极与所述第1及第2自关断元件的第1电极相连，其阳极与第2电极相连；

第3二极管(D3)；以及

壳体，该壳体收纳所述第1及第2自关断元件以及所述第1至第3二极管，

所述第3二极管在所述壳体内与所述第1及第2自关断元件、以及所述第1及第2二极管均绝缘,

所述半导体装置还包括：

第1电极用端子，该第1电极用端子与所述第1自关断元件的第1电极电连接，并配置成能在所述壳体外部的第1部位与外部布线相连接；

第2电极用端子，该第2电极用端子与所述第2自关断元件的第2电极电连接，并配置成能在所述壳体外部的第2部位与外部布线相连接；

公共电极用端子，该公共电极用端子与所述第1自关断元件的第2电极以及所述第2自关断元件的第1电极电连接，并配置成能在所述壳体外部的第3部位与外部布线相连接；

阳极用端子，该阳极用端子与所述第3二极管的阳极电连接，并配置成能在所述壳体外部的第4部位与外部布线相连接；以及

阴极用端子，该阴极用端子与所述第3二极管的阴极电连接，并配置成能在所述壳体外部的第5部位与外部布线相连接。

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述壳体包含俯视时由四边构成的矩形壳体，

所述第1及第2部位包含俯视时所述壳体的规定边、即第1边附近的区域部分，

所述第3至第5部位包含俯视时与所述第1边不同的第2边附近的区域部分。

3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述第1及第2边包含彼此相对的边。

4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，

第1电源用电容器能连接在所述第1电极用端子与所述阳极用端子之间，

第2电源用电容器能连接在所述第2电极用端子与所述阴极用端子之间，

所述第1部位及所述第4部位包含距离与所述第1边和第2边相邻的第3边比较近的部分，

所述第2部位及所述第5部位包含距离与所述第3边相对的第4边比较近的部分。

5.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述第1及第2边包含彼此相邻的边。

6.如权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，

所述第1及第2自关断元件包含第1及第2绝缘栅型晶体管，

所述第1电极包含集电极电极，

所述第2电极包含发射极电极。

7.如权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，

所述第1及第2自关断元件包含场效应晶体管，

所述第1电极包含漏极电极，

所述第2电极包含源极电极。