JP2001245479A - Power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、インバーター等の
電力変換器等に使用される電力半導体モジュールに関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor module used for a power converter such as an inverter.
【０００２】[0002]
【従来の技術】電力半導体モジュールが使用される分野
は、家電製品から電気鉄道、電気自動車、産業用ロボッ
ト、電力系統と広くにおよんでいる。電力半導体装置の
有用性が広がるにしたがい、その性能の向上が期待さ
れ、高周波化、小型化、大電力化がますます望まれてい
る。2. Description of the Related Art The fields in which power semiconductor modules are used extend widely from home appliances to electric railways, electric vehicles, industrial robots, and power systems. As the usefulness of power semiconductor devices expands, their performance is expected to improve, and higher frequencies, smaller sizes, and higher power are increasingly desired.
【０００３】これらの分野で使用される電力半導体モジ
ュールの多くは、交流−直流変換、直流−交流変換、直
流−直流変換などの変換回路で使用されている。これら
の電力半導体モジュール内には、通常スイッチング素
子、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gat
e Bipolar Transisitor）と、これらスイッチング素子
と逆並列に接続される還流ダイオード（ＦＷＤｉ）が搭
載されている。Many power semiconductor modules used in these fields are used in conversion circuits such as AC-DC conversion, DC-AC conversion, and DC-DC conversion. In these power semiconductor modules, a switching element, for example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor) is usually provided.
Field-Effect Transistor), IGBT (Insulated Gat)
e bipolar transistor) and a reflux diode (FWDi) connected in anti-parallel to these switching elements.
【０００４】図７の単相ブリッジインバーター回路は従
来のインバーター回路の１例であり、破線部分の６Ａ、
６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは電力半導体モジュールを示してい
る。この例では、それぞれの電力半導体モジュール６
Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、１つの還流ダイオード７Ａ、
７Ｂ、７Ｃ、７Ｄと１つのスイッチング半導体素子（こ
の例ではＩＧＢＴ）３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄをペアで搭
載している。還流ダイオードは、スイッチング半導体素
子であるそれぞれのＩＧＢＴに逆並列に接続されてる。
４は負荷でありインダクタンスを有する。５は直流の電
源である。The single-phase bridge inverter circuit shown in FIG. 7 is an example of a conventional inverter circuit, and includes a broken line 6A,
6B, 6C and 6D show power semiconductor modules. In this example, each power semiconductor module 6
A, 6B, 6C, and 6D are one return diode 7A,
7B, 7C, and 7D and one switching semiconductor element (IGBT in this example) 3A, 3B, 3C, and 3D are mounted as a pair. The freewheeling diodes are connected in anti-parallel to the respective IGBTs, which are switching semiconductor elements.
Reference numeral 4 denotes a load having an inductance. 5 is a DC power supply.
【０００５】自己消弧機能を持つＩＧＢＴやＭＯＳＦＥ
Ｔ等のスイッチング素子を含むインバーター回路を用い
て直流−交流変換を行う場合、ＰＷＭ（Pulse Width Mo
dulation）方式が一般的に使用されている。図７の単相
ブリッジインバーター回路をもちいてＰＷＭ方式により
直流−交流変換を行う時の負荷への出力波形を図８に示
す。ＰＷＭ方式ではスイッチング素子のゲート信号の方
形パルス波形を、時間平均的に見れば負荷電圧が交流波
形となる様に変調する。ＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄのオン・
オフ動作で負荷４に正方向のパルス幅を変調したパルス
電圧を出力すると、パルス電圧波形を時間平均的に見れ
ば図８の破線Ｖｍに示されている様な正弦波の半波が負
荷に出力される。但し、この動作期間中（ＴＡＤ）スイ
ッチング素子であるＩＧＢＴ ３Ｂ、３Ｃはオフ状態で
ある。次にＩＧＢＴ ３Ｂ、３Ｃのオン・オフ動作で負
荷４に負方向のパルス電圧を出力し、残り半周期分（Ｔ
ＢＣ）の正弦波の半波を負荷に出力する。IGBT and MOSFE having a self-extinguishing function
When DC-AC conversion is performed using an inverter circuit including a switching element such as T, a PWM (Pulse Width Mo) is used.
dulation) method is generally used. FIG. 8 shows an output waveform to a load when performing DC-AC conversion by the PWM method using the single-phase bridge inverter circuit of FIG. In the PWM method, the square pulse waveform of the gate signal of the switching element is modulated so that the load voltage becomes an AC waveform when viewed on a time average basis. Turn on IGBT 3A, 3D
When a pulse voltage having a modulated pulse width in the positive direction is output to the load 4 in the off operation, a half-wave of a sine wave as shown by a broken line Vm in FIG. Is output. However, during this operation period, the IGBTs 3B and 3C, which are switching elements (TAD), are off. Next, a negative pulse voltage is output to the load 4 by the on / off operation of the IGBTs 3B and 3C, and the remaining half cycle (T
A half-wave of the sine wave of BC) is output to the load.
【０００６】図７のＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄのパルス動作
期間中においてＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄのオフ時に、負荷
のインダクタンス成分に蓄えられた磁気エネルギーを放
出するため、インダクタンスの電流が逆相側の還流ダイ
オード７Ｂ、７Ｃを流れ、コンデンサ８に帰還する。ま
た、ＩＧＢＴ ３Ｂ、３Ｃのパルス動作期間中において
はＩＧＢＴ ３Ｂ、３Ｃのオフ時に、電流は還流ダイオ
ード７Ｄ、７Ａを流れコンデンサ８に帰還する。When the IGBTs 3A and 3D are turned off during the pulse operation of the IGBTs 3A and 3D of FIG. 7, the magnetic energy stored in the inductance component of the load is released, so that the current of the inductance is reversed to the reverse-phase side of the return diode 7B. , 7C, and returns to the capacitor 8. Further, during the pulse operation period of the IGBTs 3B and 3C, when the IGBTs 3B and 3C are turned off, the current flows through the return diodes 7D and 7A and returns to the capacitor 8.
【０００７】前記では、単相ブリッジインバーター回路
内の還流ダイオードの働きをＰＷＭ方式を例に述べた
が、一般的に変換回路中にインダクタンス成分を持つ負
荷と整流機能を有する素子が含まれている場合、インダ
クタンス成分に蓄えられた磁気エネルギーを放出するた
めに還流ダイオードが必要となる。この様に還流ダイオ
ードは回路中において重要な役割を果たす。In the above, the operation of the freewheeling diode in the single-phase bridge inverter circuit has been described by taking the PWM method as an example. However, in general, a load having an inductance component and an element having a rectifying function are included in the conversion circuit. In such a case, a freewheeling diode is required to release the magnetic energy stored in the inductance component. Thus, the freewheel diode plays an important role in the circuit.
【０００８】従来技術では、ＩＧＢＴのパルス動作期間
中にＩＧＢＴがオフ状態からオン状態になるとき、還流
ダイオードに蓄積された電荷が回路に流れ、パルスのオ
ン時に回路内で発生するエネルギー損失の大きな要因と
なってきた。例えば、図７の回路でＩＧＢＴ ３Ａ、３
Ｄのパルス動作期間中にＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄがオフ状
態からオン状態になるとき、還流ダイオード７Ｃ、７Ｂ
に蓄積された電荷（逆回復電荷）が回路に流れる。ＩＧ
ＢＴ ３Ａ、３Ｄには負荷電流が流れ始めており、逆回
復電荷による電流はこれに重畳して流れる。重畳した電
流は、ＩＧＢＴ素子の定格電流を越えることもあり、場
合によっては素子破壊をもたらすことがある。また、回
路電圧Ｖｃｃは、ＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄ部あるいは還流
ダイオード７Ｃ、７Ｂ部で保持するので、ＩＧＢＴ ３
Ａ、３Ｄ部あるいは還流ダイオード７Ｃ、７Ｂ部でエネ
ルギー損失が生じる。大きなエネルギー損失は、冷却機
器などを大きくし、コストの増大やインバーター機器の
使用場所に限界をもたらす。In the prior art, when the IGBT is turned on from the off state during the pulse operation period of the IGBT, the electric charge accumulated in the freewheeling diode flows into the circuit, and large energy loss occurs in the circuit when the pulse is turned on. It has been a factor. For example, in the circuit shown in FIG.
When the IGBTs 3A and 3D change from the off state to the on state during the pulse operation period of D, the return diodes 7C and 7B
(Reverse recovery charge) accumulated in the circuit flows into the circuit. IG
The load current has begun to flow through the BTs 3A and 3D, and the current due to the reverse recovery charge is superimposed and flows. The superimposed current may exceed the rated current of the IGBT element, and in some cases, may cause element destruction. Further, since the circuit voltage Vcc is held in the IGBTs 3A and 3D or the return diodes 7C and 7B, the IGBT 3
Energy loss occurs in the A and 3D sections or the return diodes 7C and 7B. The large energy loss increases the size of the cooling device and the like, increases the cost and limits the place where the inverter device can be used.
【０００９】従来は、還流ダイオードとしてＳｉを主材
料とするＰｉＮダイオードが使用されてきた。ＰｉＮダ
イオードはバイポーラ型の半導体素子であり順方向バイ
アスで大電流を通電させる場合、伝導度変調により電圧
降下が低くなるような構造となっている。しかし、Ｐｉ
Ｎダイオードは、順方向バイアス状態から急峻に逆バイ
アス状態にいたる過程で、伝導度変調によりＰｉＮダイ
オードに残留したキャリアが逆回復電流として変換回路
へ流れるという特性を持つ。ＳｉからなるＰｉＮダイオ
ードにおいては、残留するキャリアの寿命が長く多くの
残留キャリアが変換回路に流れる。Hitherto, a PiN diode mainly composed of Si has been used as a freewheeling diode. The PiN diode is a bipolar semiconductor element, and has a structure in which when a large current is applied with a forward bias, a voltage drop is reduced by conductivity modulation. But Pi
The N diode has a characteristic that during the process from the forward bias state to the steep reverse bias state, carriers remaining in the PiN diode due to conductivity modulation flow to the conversion circuit as a reverse recovery current. In a PiN diode made of Si, the remaining carriers have a long lifetime and many residual carriers flow to the conversion circuit.
【００１０】一方ショットキーバリアダイオード（ＳＢ
Ｄ）はユニポーラ型の半導体素子であり、伝導度変調に
よるキャリアを殆ど有しないので、還流ダイオードとし
て変換回路で使用される場合、逆回復電荷が変換回路に
流れるという問題は無い。しかし、従来多く使用されて
いる半導体材料であるＳｉは絶縁破壊電界強度が低いた
め、高耐圧を持たせる構造でＳＢＤを作製すると通電時
に大きな抵抗が生じるため、Ｓｉ−ＳＢＤでは耐圧２０
０Ｖ程度が限界であり、高電圧のＳＢＤを実用化する事
が困難であった。On the other hand, a Schottky barrier diode (SB)
D) is a unipolar semiconductor element and has almost no carriers due to conductivity modulation. Therefore, when it is used in a conversion circuit as a freewheeling diode, there is no problem that reverse recovery charges flow into the conversion circuit. However, since Si, which is a semiconductor material that has been widely used in the past, has a low dielectric breakdown electric field strength, when an SBD is manufactured with a structure having a high withstand voltage, a large resistance is generated during energization.
The limit is about 0 V, and it has been difficult to commercialize a high-voltage SBD.
【００１１】他方、炭化珪素（ＳｉＣ）はＳｉの１０倍
の絶縁破壊電界強度を持ち、ＳｉＣを用いれば高耐圧の
ＳＢＤの実用化が可能となる。また、ＳｉＣ−ＳＢＤを
変換回路中に還流ダイオードとして用いれば、逆回復電
流を大きく減らすことが可能となり、逆回復電流によっ
て生じていたエネルギー損失を大きく減らすことが可能
になる。また、スイッチング素子がオンするときにスイ
ッチング素子に流れる電流に逆回復電流による重畳が生
じないので、素子破壊の危険性を大きく減らすことが可
能となる。ＳｉＣ−ＳＢＤに関するこれらの特徴は、M.
Bhatnagar他“Comparison of 6H-SiC、3C-SiC, and Si
for Power Devices,”IEEE TRANSACTIONON ELECTRON DE
VICES、vol.40、No.3、MARCH 1993において同様に指摘
されている。On the other hand, silicon carbide (SiC) has a breakdown electric field strength ten times that of Si, and the use of SiC makes it possible to commercialize a high breakdown voltage SBD. Also, if the SiC-SBD is used as a freewheeling diode in the conversion circuit, the reverse recovery current can be greatly reduced, and the energy loss caused by the reverse recovery current can be significantly reduced. Further, since the current flowing through the switching element when the switching element is turned on is not superimposed by the reverse recovery current, the risk of element destruction can be greatly reduced. These features regarding SiC-SBD are described in
Bhatnagar et al. “Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si
for Power Devices, ”IEEE TRANSACTIONON ELECTRON DE
VICES, vol.40, No.3, MARCH 1993 also pointed out.
【００１２】一方、ＳｉＣを主材料とすれば高耐圧・低
損失のＳＢＤを作製することが可能となるが、ＳＢＤに
おいては逆バイアス電圧が大きくなるとトンネル電流に
よる漏れ電流が大きくなるという問題がある。そのため
ＳＢＤを電力用の還流ダイオードとして使用できる電圧
には限界があるとされており、ＳｉＣ−ＳＢＤの使用可
能な逆バイアス電圧は３ｋＶ以下であるとの指摘がなさ
れている（K.Rottner他“SiC power devices for high
voltage applications,”Materials Scienceand Engine
ering、B61-62（1999）330-338）。On the other hand, if SiC is used as a main material, it is possible to manufacture an SBD having a high withstand voltage and a low loss. However, the SBD has a problem that when a reverse bias voltage is increased, a leakage current due to a tunnel current is increased. . For this reason, it is said that there is a limit to the voltage at which the SBD can be used as a power return diode, and it has been pointed out that the usable reverse bias voltage of the SiC-SBD is 3 kV or less (K. Rottner et al. SiC power devices for high
voltage applications, ”Materials Scienceand Engine
ering, B61-62 (1999) 330-338).
【００１３】[0013]
【発明が解決しようとする課題】前記のように、電力変
換回路中において還流ダイオードとして従来使用されて
きたＰｉＮダイオードにおいては、順方向バイアス状態
から急峻に逆バイアス状態にいたる過程で逆回復電流が
変換回路に流れ、大きなエネルギー損失をもたらしてき
た。ＰｉＮダイオードに替えてショットキーバリアダイ
オード（ＳＢＤ）を還流ダイオードとして用いれば、逆
回復電流を大きく低減することが可能となり、エネルギ
ー損失を減らすことが可能となるが、従来の主な半導体
材料であるシリコン（Ｓｉ）では、高電圧用のＳＢＤを
実用化する事が困難であった。しかし、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）はＳｉの１０倍の絶縁破壊電界強度を持ち、ＳｉＣ
を用いれば高電圧用のＳＢＤの実用化が可能となる。し
かし、ＳｉＣで作製したＳＢＤは、Ｓｉ−ＳＢＤより高
耐圧であるが、逆バイアスが大きくなると、トンネル電
流による漏れ電流が大きくなり、高耐圧用に使用される
還流ダイオードとしての限界があり、逆バイアス電圧が
３ｋＶを越えて使用する事が困難であるとされてきた。As described above, in a PiN diode conventionally used as a freewheeling diode in a power conversion circuit, a reverse recovery current increases from a forward bias state to a steep reverse bias state. It has flowed to the conversion circuit and has caused a large energy loss. If a Schottky barrier diode (SBD) is used as the freewheeling diode instead of the PiN diode, the reverse recovery current can be greatly reduced and the energy loss can be reduced, but it is a conventional main semiconductor material. With silicon (Si), it has been difficult to commercialize an SBD for high voltage. However, silicon carbide (Si
C) has a breakdown electric field strength 10 times that of Si,
The use of SBD makes it possible to commercialize an SBD for high voltage. However, an SBD made of SiC has a higher breakdown voltage than a Si-SBD. However, when the reverse bias increases, a leakage current due to a tunnel current increases, and there is a limit as a freewheeling diode used for a high breakdown voltage. It has been difficult to use a bias voltage exceeding 3 kV.
【００１４】本発明の目的は、電力変換回路中において
逆回復電流が原因となって生じるエネルギー損失の低減
を行い、定格電圧の高い電力半導体モジュールを提供す
ることにある。An object of the present invention is to provide a power semiconductor module having a high rated voltage by reducing energy loss caused by a reverse recovery current in a power conversion circuit.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明に係わる電力半導
体モジュールは、少なくとも１個のスイッチング素子と
ＳｉＣからなる２個以上のＳｉＣ−ＳＢＤが直列に接続
された部分を搭載する半導体モジュールであって、前記
の直列に接続された少なくとも２個以上のＳｉＣ−ＳＢ
Ｄを前記スイッチング素子と逆並列に接続した構造を持
つことにより、定格電圧が高い電力変換回路において還
流ダイオードの逆回復電流が原因となって生じるエネル
ギー損失の低減を可能とするものである。A power semiconductor module according to the present invention is a semiconductor module having a portion in which at least one switching element and two or more SiC-SBDs made of SiC are connected in series. , At least two or more SiC-SBs connected in series
By having a structure in which D is connected in antiparallel with the switching element, it is possible to reduce energy loss caused by the reverse recovery current of the freewheel diode in a power conversion circuit having a high rated voltage.
【００１６】さらに、本発明に係わる電力半導体モジュ
ールにおいて、直列に接続するＳｉＣからなるＳＢＤの
数が２個以上３個以下であることにより高電圧の電力変
換回路において、還流電流が流れているときにおいての
還流ダイオードの定常損失を制限することが可能とな
る。Furthermore, in the power semiconductor module according to the present invention, since the number of SBDs made of SiC connected in series is two or more and three or less, when a return current flows in a high-voltage power conversion circuit, , It is possible to limit the steady-state loss of the freewheeling diode.
【００１７】さらに、本発明に係わる電力半導体モジュ
ールにおいて、直列に接続するＳｉＣからなるＳＢＤの
複数組を並列に接続することにより、直列に接続された
ＳｉＣ−ＳＢＤからなる還流ダイオード部の通電時にお
ける電圧降下を下げることが可能となる。Further, in the power semiconductor module according to the present invention, a plurality of sets of SBDs made of SiC connected in series are connected in parallel, so that the current flowing through the reflux diode section made of SiC-SBD connected in series can be reduced. The voltage drop can be reduced.
【００１８】さらに、本発明に係わる電力半導体モジュ
ールにおいて、スイッチング素子をＩＧＢＴあるいはＭ
ＯＳＦＥＴとすることにより、電力変換回路の高速なス
イッチング動作が可能となる。Further, in the power semiconductor module according to the present invention, the switching element is IGBT or M.
By using the OSFET, a high-speed switching operation of the power conversion circuit can be performed.
【００１９】さらに、本発明に係わる電力半導体モジュ
ールにおいて、一方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミック電極
面と、他方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極面が、
同一平面上で接続されることにより、電極間を接続する
ボンディングワイヤ等の配線が不要になり、電磁放射ノ
イズを低減することが可能となる。Further, in the power semiconductor module according to the present invention, the ohmic electrode surface of one SiC-SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC-SBD are:
By being connected on the same plane, wiring such as a bonding wire for connecting the electrodes becomes unnecessary, and electromagnetic radiation noise can be reduced.
【００２０】さらに、一方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミッ
ク電極面と、他方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極
面を電気導体を介して直列接続することにより、それぞ
れのＳｉＣ−ＳＢＤを均一に冷却することが出来、Ｓｉ
Ｃ−ＳＢＤの安定な動作が可能となる。Further, by connecting the ohmic electrode surface of one SiC-SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC-SBD in series via an electric conductor, each SiC-SBD can be cooled uniformly. Done, Si
A stable operation of the C-SBD becomes possible.
【００２１】[0021]
【作用】本発明に係わる電力半導体モジュール中のＳＢ
Ｄはユニポーラ型の半導体素子であり、伝導度変調によ
るキャリアを有しないので、逆回復電流が殆ど流れな
い。また、炭化珪素（ＳｉＣ）はＳｉの１０倍の絶縁破
壊電界強度を持ち、ＳｉＣを用いてＳＢＤを作製した場
合、ドリフト層の厚さをＳｉの１／１０倍にする事が可
能となり、しかもキャリア密度をＳｉの１００倍にでき
るので、順方向通電時の電圧降下を低くする事が可能と
なる。従って、本発明に係わる電力半導体モジュールを
電力変換回路において使用することによって、逆回復電
流によるエネルギー損失を低減することが可能となり、
かつ、直列にＳｉＣ−ＳＢＤを接続するので、高電圧の
電力変換回路において使用することが可能となる。The SB in the power semiconductor module according to the present invention
D is a unipolar semiconductor element and has no carrier due to conductivity modulation, so that almost no reverse recovery current flows. Also, silicon carbide (SiC) has a breakdown electric field strength ten times that of Si, and when an SBD is manufactured using SiC, the thickness of the drift layer can be reduced to 1/10 times that of Si. Since the carrier density can be made 100 times as large as that of Si, the voltage drop during forward energization can be reduced. Therefore, by using the power semiconductor module according to the present invention in a power conversion circuit, it is possible to reduce energy loss due to reverse recovery current,
In addition, since the SiC-SBDs are connected in series, it can be used in a high-voltage power conversion circuit.
【００２２】また、本発明に係わる電力半導体モジュー
ル中の１つのＳｉＣ−ＳＢＤの順方向電圧降下（Ｖｏ
ｎ）は計算によると、耐圧２．５ｋＶ仕様、ショットキ
ー障壁高さ１．０ｅＶ、素子有効面積１．０ｃｍ2、通
電電流２００Ａ、１２５℃の場合においてＶｏｎ＜１．
０Ｖであり、直列に接続するＳｉＣからなるＳＢＤの数
が２個以上３個以下であることにより、直列接続時の全
耐圧が５．０ｋＶ〜７．５ｋＶとすることが可能とな
り、かつＶｏｎ＜２．０Ｖ〜３．０Ｖとすることが可能
となる。この直列接続したＳｉＣ−ＳＢＤのＶｏｎは同
一耐圧のＳｉＣ−ＰｉＮダイオードのＶｏｎ（〜３Ｖ）
以下の値となる。したがって、本発明に係わる電力半導
体モジュールを含む電力変換回路において、還流電流が
流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を
低くすることが可能となる。Also, the forward voltage drop (Vo) of one SiC-SBD in the power semiconductor module according to the present invention
According to calculations, Von <1.n is obtained when the breakdown voltage is 2.5 kV, the Schottky barrier height is 1.0 eV, the element effective area is 1.0 cm 2 , the current is 200 A, and the temperature is 125 ° C.
0 V, and the number of SBDs made of SiC connected in series is 2 or more and 3 or less, so that the total withstand voltage at the time of series connection can be 5.0 kV to 7.5 kV, and Von < 2.0 V to 3.0 V can be set. Von of the SiC-SBD connected in series is Von (up to 3 V) of the SiC-PiN diode having the same withstand voltage.
The values are as follows. Therefore, in the power conversion circuit including the power semiconductor module according to the present invention, it is possible to reduce the steady loss of the return diode when the return current is flowing.
【００２３】また、本発明に係わる電力半導体モジュー
ルにおいて、直列に接続するＳｉＣからなるＳＢＤの複
数組を並列に接続することにより、本発明に係わる電力
半導体モジュールを含む電力変換回路において、還流電
流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損
失を低くすることが可能となる。Further, in the power semiconductor module according to the present invention, by connecting a plurality of sets of SBDs made of SiC connected in series in parallel, in the power conversion circuit including the power semiconductor module according to the present invention, the return current is reduced. It is possible to reduce the steady loss of the freewheeling diode when flowing.
【００２４】また、本発明に係わる電力半導体モジュー
ルにおいて、スイッチング素子がＩＧＢＴあるいはＭＯ
ＳＦＥＴである時、これらのスイッチング素子は電圧駆
動型のトランジスタであるので、電力変換回路の高速な
スイッチング動作が可能となる。In the power semiconductor module according to the present invention, the switching element is an IGBT or an MO.
In the case of an SFET, since these switching elements are voltage-driven transistors, a high-speed switching operation of the power conversion circuit becomes possible.
【００２５】また、本発明に係わる電力半導体モジュー
ルにおいて、一方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミック電極面
と、他方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極面を、同
一平面上で接続することにより、ＳｉＣ−ＳＢＤ間の配
線を無くすことが出来るので外部への電磁放射ノイズを
低減することが可能となる。In the power semiconductor module according to the present invention, the ohmic electrode surface of one SiC-SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC-SBD are connected on the same plane, so that the SiC-SBD Can be eliminated, so that electromagnetic radiation noise to the outside can be reduced.
【００２６】また、一方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミック
電極面と、他方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極面
が電気導体を介して直列接続することにより、それぞれ
のＳｉＣ−ＳＢＤがの冷却能力を高くすることが出来、
ＳｉＣ−ＳＢＤの安定な動作を可能とする。Further, the ohmic electrode surface of one SiC-SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC-SBD are connected in series via an electric conductor, so that the cooling capacity of each SiC-SBD is increased. Can do
It enables a stable operation of the SiC-SBD.
【００２７】[0027]
【発明の実施の形態】実施の形態1 図１に、本発明の電力半導体モジュールの一実施の形態
を示す。図１は、ＳｉＣからなるＳＢＤが２個直列に接
続された部分を搭載した半導体モジュールであって、直
列に接続されたＳｉＣからなる２個のＳＢＤを還流ダイ
オードとして接続した本発明の電力半導体モジュールを
使用した単相ブリッジインバーター内の回路図を示す。
１Ａ〜１Ｄは本発明の直列に接続された２個のＳｉＣか
らなるＳＢＤを還流ダイオードとして搭載した電力半導
体モジュールである。２Ａ〜２Ｄはそれぞれの電力半導
体モジュール内の直列に接続された２個のＳｉＣ−ＳＢ
Ｄからなる還流ダイオードである。３Ａ〜３Ｄはスイッ
チング素子のＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴである。２
９は電源の正極側と接続される接続端子、３０は電源の
負極側と接続される接続端子、２６は負荷と接続される
接続端子、４はモーター等の負荷でありインダクタンス
成分を含む。５は直流電源であり、８はコンデンサーで
ある。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 FIG. 1 shows an embodiment of a power semiconductor module according to the present invention. FIG. 1 shows a semiconductor module mounted with a portion in which two SBDs made of SiC are connected in series, and a power semiconductor module of the present invention in which two SBDs made of SiC connected in series are connected as a freewheeling diode. FIG. 2 shows a circuit diagram in a single-phase bridge inverter using the above.
Reference numerals 1A to 1D denote power semiconductor modules on which SBDs of two SiCs connected in series according to the present invention are mounted as reflux diodes. 2A to 2D are two SiC-SBs connected in series in each power semiconductor module.
D is a freewheeling diode. Reference numerals 3A to 3D denote switching element IGBTs or MOSFETs. 2
9 is a connection terminal connected to the positive electrode side of the power supply, 30 is a connection terminal connected to the negative electrode side of the power supply, 26 is a connection terminal connected to a load, and 4 is a load such as a motor and includes an inductance component. 5 is a DC power supply and 8 is a capacitor.
【００２８】図１の回路で、パルス制御により直流を交
流に変換して負荷４に交流電流を供給する場合、各パル
ス毎に３Ａと３Ｄ、あるいは３Ｂと３Ｃがペアでオンあ
るいはオフ動作を行う。スイッチング素子のオンあるい
はオフ動作に対応して還流ダイオード２Ａと２Ｄ、ある
いは２Ｂと２Ｃがペアで逆バイアス状態あるいは順方向
導通状態となる。例えば、３Ａ、３Ｄが同時にオン状態
のときには、電流は８→３Ａ→４→３Ｄ→８の順で流れ
るが、パルスをオフするために３Ａと３Ｄをオフとする
と、還流電流が８→２Ｂ→４→２Ｃ→８の経路で流れ、
還流ダイオード２Ｂおよび２Ｃは順方向の導通状態とな
る。再び３Ａと３Ｄがオンになると８→３Ａ→４→３Ｄ
→８の順で電流は流れ、２Ｂおよび２Ｃは逆バイアス状
態でほぼ回路電源電圧のＶｃｃが印加される。In the circuit of FIG. 1, when DC is converted to AC by pulse control and AC current is supplied to the load 4, 3A and 3D or 3B and 3C perform on / off operation in pairs for each pulse. . The freewheeling diodes 2A and 2D or 2B and 2C are paired in a reverse bias state or a forward conduction state in response to the ON or OFF operation of the switching element. For example, when 3A and 3D are on at the same time, the current flows in the order of 8 → 3A → 4 → 3D → 8. However, if 3A and 3D are turned off to turn off the pulse, the return current becomes 8 → 2B → It flows on the route of 4 → 2C → 8,
The freewheel diodes 2B and 2C enter a forward conduction state. When 3A and 3D are turned on again, 8 → 3A → 4 → 3D
Current flows in the order of → 8, and the circuit power supply voltage Vcc is applied to 2B and 2C in a reverse bias state.
【００２９】還流電流が８→２Ｂ→４→２Ｃ→８の経路
で流れている状態から、３Ａおよび３Ｄがオン状態にな
る時、還流ダイオード２Ｂおよび２ＣはＳｉＣからなる
ＳＢＤなので、伝導度変調によるキャリアを有せず逆回
復電流が殆ど生じない。３Ａおよび３Ｄがオン状態にな
るときにはＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄには電流が流れ始めて
おり、２Ｂおよび２Ｃに逆回復電荷が生じた場合、逆回
復電流はこれに重畳して流れるが、還流ダイオードＳｉ
Ｃ−ＳＢＤの場合ＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄには重畳した電
流は流れないので、ＩＧＢＴ ３Ａ、３Ｄ部で発生する
エネルギー損失を減らすことが可能となる。また、還流
ダイオード２Ｃ、２Ｂ部では電流が殆ど流れないのでエ
ネルギー損失は殆ど生じない。When the return current is flowing through the path of 8 → 2B → 4 → 2C → 8 and the 3A and 3D are turned on, the return diodes 2B and 2C are SBDs made of SiC, so that the conductivity modulation There is no carrier and almost no reverse recovery current occurs. When the IGBTs 3A and 3D are turned on, a current starts flowing through the IGBTs 3A and 3D. When a reverse recovery current is generated in the 2B and 2C, the reverse recovery current flows while being superimposed on the reverse recovery charge.
In the case of the C-SBD, since the superimposed current does not flow through the IGBTs 3A and 3D, it is possible to reduce the energy loss generated in the IGBTs 3A and 3D. In addition, since almost no current flows in the freewheel diodes 2C and 2B, almost no energy loss occurs.
【００３０】また、ＳｉＣはＳｉの１０倍の絶縁破壊電
界強度を持ちＳｉＣ−ＳＢＤの場合、ドリフト層の厚さ
をＳｉの１／１０倍にする事が可能となり、しかもキャ
リア密度をＳｉの１００倍にできるので、順方向通電時
の電圧降下（Ｖｏｎ）を低くする事が可能となる。仮に
１つのＳｉＣ−ＳＢＤが耐圧２．５ｋＶ、ショットキー
障壁高さ１．０ｅＶ、素子有効面積１．０ｃｍ2の仕様
で、通電電流２００Ａ、１２５℃の場合においては、順
方向電圧降下は１．０Ｖ以下であり直列に接続された２
個のＳｉＣ−ＳＢＤによる電圧降下は２．０Ｖ以下であ
り、通常の１個のＰｉＮダイオードの電圧降下（〜３
Ｖ）より低い値となる。従って、還流電流が８→２Ｂ→
４→２Ｃ→８の経路で流れている時でも、還流ダイオー
ド２Ｂおよび２Ｃの順方向還流電流によるエネルギー損
失を低くすることが可能である。Further, SiC has a breakdown electric field strength ten times that of Si, and in the case of SiC-SBD, the thickness of the drift layer can be reduced to 1/10 times that of Si, and the carrier density can be reduced to 100 times that of Si. Since it can be doubled, the voltage drop (Von) during forward energization can be reduced. If one SiC-SBD has a breakdown voltage of 2.5 kV, a Schottky barrier height of 1.0 eV, an effective element area of 1.0 cm 2 , and a current of 200 A at 125 ° C., the forward voltage drop is 1. 0V or less and 2 connected in series
The voltage drop due to one SiC-SBD is 2.0 V or less, and the voltage drop of a normal single PiN diode (〜3
V). Therefore, the return current is 8 → 2B →
Even when the current flows through the path of 4 → 2C → 8, it is possible to reduce the energy loss due to the forward return current of the return diodes 2B and 2C.
【００３１】さらに、直列に接続された１つのＳｉＣ−
ＳＢＤの性能が逆バイアス２．５ｋＶまで耐えうるもの
であれば、本発明により２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの耐圧
は５．０ｋＶとなり、Ｖｃｃは通常素子耐圧の約１／２
に設定するので、この場合Ｖｃｃを２．５ｋＶまで上げ
ることが可能となる。従って、単一のＳｉＣ−ＳＢＤで
は困難とされる定格１．５ｋＶを越える電力変換動作
が、本発明により容易に可能となる。Further, one SiC- connected in series
If the performance of the SBD can withstand up to a reverse bias of 2.5 kV, the withstand voltage of 2A, 2B, 2C and 2D is 5.0 kV according to the present invention, and Vcc is about 1/2 of the normal element withstand voltage.
In this case, Vcc can be increased to 2.5 kV. Therefore, a power conversion operation exceeding the rated 1.5 kV, which is difficult with a single SiC-SBD, can be easily achieved by the present invention.
【００３２】本実施の形態で明らかなように、本発明に
係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使
用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失
を低減することが可能となり、かつ、高電圧の電力変換
回路において使用することが可能となる。As is apparent from the present embodiment, by using the power semiconductor module according to the present invention in a power conversion circuit, it is possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current and to reduce the power consumption of the high voltage power. It can be used in a conversion circuit.
【００３３】本実施の形態においては、２個のＳｉＣ−
ＳＢＤを直列に接続したが、回路電源電圧の値に応じて
３個のＳｉＣ−ＳＢＤを接続をすることも可能である。
例えば、１つのＳｉＣ−ＳＢＤが耐圧２．５ｋＶ、ショ
ットキー障壁高さ１．０ｅＶ、素子有効面積１．０ｃｍ
2の仕様で、通電電流２００Ａ、１２５℃の場合におい
ては電圧降下は１．０Ｖ以下であり、直列に接続された
３個のＳｉＣ−ＳＢＤによる電圧降下は３．０Ｖ以下で
ある。この電圧は、通常の１個のＰｉＮダイオードの順
方向電圧降下と同程度であるから、順方向還流電流によ
るエネルギー損失が増加することはない。また、ＳｉＣ
−ＳＢＤは伝導度変調によるキャリアを殆ど持たないの
で逆回復電流は殆ど生じず、かつ、直列に接続された３
つのＳｉＣ−ＳＢＤによりＶｃｃを３．８ｋＶまで上げ
ることが可能となる。従って、単一のＳｉＣ−ＳＢＤで
は困難とされるＶｃｃ＝１．５ｋＶを越える電力変換動
作が容易に可能となる。In the present embodiment, two SiC-
Although the SBDs are connected in series, it is also possible to connect three SiC-SBDs according to the value of the circuit power supply voltage.
For example, one SiC-SBD has a breakdown voltage of 2.5 kV, a Schottky barrier height of 1.0 eV, and an effective element area of 1.0 cm.
In the specification 2 , the voltage drop is 1.0 V or less when the current is 200 A and 125 ° C., and the voltage drop by three SiC-SBDs connected in series is 3.0 V or less. Since this voltage is almost equal to the forward voltage drop of a normal PiN diode, the energy loss due to the forward return current does not increase. In addition, SiC
Since the SBD has few carriers due to conductivity modulation, almost no reverse recovery current is generated, and the SBD connected in series
With two SiC-SBDs, Vcc can be increased to 3.8 kV. Therefore, a power conversion operation exceeding Vcc = 1.5 kV, which is difficult with a single SiC-SBD, can be easily performed.
【００３４】以上の様に、直列に接続するＳｉＣ−ＳＢ
Ｄの数が２個以上３個以下であれば、高電圧の電力変換
回路において還流電流が流れているときに生じる還流ダ
イオードの定常損失を制限することが可能となる。As described above, SiC-SB connected in series
If the number of D is two or more and three or less, it is possible to limit the steady loss of the freewheeling diode that occurs when the freewheeling current flows in the high-voltage power conversion circuit.
【００３５】実施の形態２ 図２に、本発明による直列に接続するＳｉＣ−ＳＢＤの
複数組を並列に接続した電力半導体モジュールが単相ブ
リッジインバーター内に接続された回路図を示す。１Ａ
−２〜１Ｄ−２は本発明の直列に接続したＳｉＣ−ＳＢ
Ｄの複数組を並列に接続した電力半導体モジュールであ
る。２Ａ−１および２Ａ−２、２Ｂ−１および２Ｂ−
２、２Ｃ−１および２Ｃ−２、２Ｄ−１および２Ｄ−２
は直列に２個接続したＳｉＣ−ＳＢＤが並列に接続され
たそれぞれの組である。３Ａ〜３Ｄはスイッチング素子
のＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴである。４はモーター
等の負荷でありインダクタンス成分を含む。５は直流の
電源であり、８はコンデンサーである。Embodiment 2 FIG. 2 shows a circuit diagram in which a plurality of sets of SiC-SBDs connected in series and connected in parallel according to the present invention are connected in a single-phase bridge inverter. 1A
2-1D-2 are SiC-SBs connected in series according to the present invention.
D is a power semiconductor module in which a plurality of sets D are connected in parallel. 2A-1 and 2A-2, 2B-1 and 2B-
2, 2C-1 and 2C-2, 2D-1 and 2D-2
Is a set of two SiC-SBDs connected in series and connected in parallel. Reference numerals 3A to 3D denote switching element IGBTs or MOSFETs. A load 4 such as a motor includes an inductance component. 5 is a DC power supply and 8 is a capacitor.
【００３６】図２の回路において、本発明による直列に
接続するＳｉＣ−ＳＢＤの複数組を並列に接続した電力
半導体モジュール１Ａ−２〜１Ｄ−２の電気的動作は、
基本的には先の実施の形態１の中で述べた図１の電力半
導体モジュール１Ａ〜１Ｄと同一であるが、直列接続し
たＳｉＣ−ＳＢＤの２組を並列に接続しているので還流
電流が流れている時の順方向電圧降下を、直列接続する
ＳｉＣ−ＳＢＤを１組使用する時と比較して低くする事
ができ、還流電源による還流ダイオード部の損失低減が
可能となる。In the circuit of FIG. 2, the electric operation of the power semiconductor modules 1A-2 to 1D-2 in which a plurality of sets of SiC-SBDs connected in series according to the present invention are connected in parallel is as follows.
Basically, it is the same as power semiconductor modules 1A to 1D in FIG. 1 described in the first embodiment, but since two sets of SiC-SBDs connected in series are connected in parallel, the return current is reduced. The forward voltage drop during the flow can be reduced as compared with the case where one set of SiC-SBDs connected in series is used, and the loss of the freewheeling diode section due to the freewheeling power supply can be reduced.
【００３７】従って、本発明に係わる電力半導体モジュ
ールを電力変換回路において使用することによって、逆
回復電流によるエネルギー損失を低減することが可能と
なり、かつ、高電圧の電力変換回路において使用するこ
とが可能となり、さらに還流電流が流れているときにお
いての還流ダイオードの定常損失を低くすることが可能
となる。Therefore, by using the power semiconductor module according to the present invention in a power conversion circuit, it is possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current and to use it in a high-voltage power conversion circuit. And the steady loss of the return diode when the return current is flowing can be reduced.
【００３８】本実施の形態においては、２個のＳｉＣ−
ＳＢＤを直列に接続したが、回路電源電圧の値に応じて
直列数が２個より多いＳｉＣ−ＳＢＤを接続をすること
も可能であり、更に定格電圧の高い電力変換回路が実現
できる。In this embodiment, two SiC-
Although the SBDs are connected in series, it is also possible to connect more than two SiC-SBDs in series according to the value of the circuit power supply voltage, and a power conversion circuit with a higher rated voltage can be realized.
【００３９】実施の形態３ 図３に本発明による電力半導体モジュールの他の実施の
形態を示す。２は直列に２個接続されたＳｉＣ−ＳＢＤ
である。３はスイッチング素子であるＩＧＢＴあるいは
ＭＯＳＦＥＴ、１３はスイッチング素子のエミッタある
いはソース電極、１４は電極接続用の高さ調節治具、１
５はＳｉＣ−ＳＢＤのアノード側と１４を接続する金属
導体、１６は２を上部から押さえる機能と１９の外部配
線用エミッタ導体へ電流を導く機能を合わせ持つ金属導
体、１７は絶縁基板上のコレクタ配線、１８は外部配線
用コレクタ導体、２０は１６を固定するための絶縁体、
例えばガラスエポキシ、２１はＡｌＮ（窒化アルミニウ
ム）絶縁基板、２２は銅またはＳｉＣ／Ａｌのベース板
である。通常ベース板２２上の半導体素子を含む回路部
分は筐体で囲まれ、シリコン樹脂で充填される。Third Embodiment FIG. 3 shows another embodiment of the power semiconductor module according to the present invention. 2 is a SiC-SBD connected two in series
It is. Reference numeral 3 denotes an IGBT or MOSFET serving as a switching element, 13 denotes an emitter or source electrode of the switching element, 14 denotes a height adjusting jig for connecting electrodes, 1
5 is a metal conductor connecting the anode side of the SiC-SBD to 14; 16 is a metal conductor having both a function of pressing 2 from above and a function of guiding current to the external wiring emitter conductor 19; 17 a collector on an insulating substrate; Wiring, 18 is a collector conductor for external wiring, 20 is an insulator for fixing 16,
For example, glass epoxy, 21 is an AlN (aluminum nitride) insulating substrate, and 22 is a copper or SiC / Al base plate. Normally, a circuit portion including the semiconductor element on the base plate 22 is surrounded by a housing and is filled with a silicone resin.
【００４０】図４に、本実施の形態による電力半導体モ
ジュール内の直列に２個接続されたＳｉＣ−ＳＢＤ部２
の詳細図を示した。本実施の形態の直列に２個接続され
たＳｉＣ−ＳＢＤ部の形態は、一方のＳｉＣからなるＳ
ＢＤのオーミック電極面と他方のＳｉＣからなるＳＢＤ
のショットキー電極面が、同一平面上で接続されてい
る。１０はＳｉＣ−ＳＢＤのＳｉＣ主要部材、１１はＳ
ｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極部、１２はＳｉＣ−Ｓ
ＢＤのオーミック電極部である。FIG. 4 shows two SiC-SBD units 2 connected in series in the power semiconductor module according to the present embodiment.
The detailed view of was shown. The form of the two SiC-SBD units connected in series according to the present embodiment is an SC-SBD formed of one SiC.
SBD made of ohmic electrode surface of BD and the other SiC
Are connected on the same plane. 10 is the main SiC member of SiC-SBD, 11 is S
Schottky electrode portion of iC-SBD, 12 is SiC-S
This is an ohmic electrode portion of the BD.
【００４１】接合部の形態としては、一方のＳｉＣ−Ｓ
ＢＤのショットキー電極面と他方のＳｉＣ−ＳＢＤのオ
ーミック電極面を直接に接触させることが可能である
が、この場合両電極の金属部材表面の平面度が高いこと
が望ましく、さらに上下から抑える力が必要となる。金
属導体１６は、ＳｉＣ−ＳＢＤにこの押圧力を与えてい
る。As the form of the joint, one SiC-S
The Schottky electrode surface of the BD and the ohmic electrode surface of the other SiC-SBD can be brought into direct contact with each other. Is required. The metal conductor 16 applies this pressing force to the SiC-SBD.
【００４２】他の同一平面上で接合される接合部の形態
としては、一方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極面
と他方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミック電極面間に他の電
気導体を介して接合されても良い。例えば、金、Ａｌな
どを一方のＳｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極面または
他方のＳｉＣ−ＳＢＤのオーミック電極面に蒸着し、蒸
着した金あるいはＡｌなど介して同一平面上で接合させ
ることも可能である。As another form of the bonding portion to be bonded on the same plane, the bonding portion is formed between the Schottky electrode surface of one SiC-SBD and the ohmic electrode surface of the other SiC-SBD via another electric conductor. May be. For example, gold, Al, or the like can be deposited on the Schottky electrode surface of one SiC-SBD or the ohmic electrode surface of the other SiC-SBD, and can be bonded on the same plane via the deposited gold or Al. .
【００４３】本実施の形態による電力半導体モジュール
内において使用される直列に２個接続されたＳｉＣ−Ｓ
ＢＤ２は、図４に示されている形態で直列接続されてお
り、つまり、一方のＳｉＣからなるＳＢＤのオーミック
電極面と、他方のＳｉＣからなるＳＢＤのショットキー
電極面が同一平面上で接続されているので、ＳｉＣ−Ｓ
ＢＤ間の配線が無く、モジュール内の電流順路が１９→
１６→２→１７→１８となるときにおいて電磁放射ノイ
ズを低減することが可能となる。特に過渡的な電流が２
に流れるときに本発明による電磁放射ノイズの低減効果
が大きいことが期待される。この様な電磁放射ノイズの
低減により、モジュール誤動作の低減を行うことが可能
となる。Two SiC-Ss connected in series used in the power semiconductor module according to the present embodiment
The BD 2 is connected in series in the form shown in FIG. 4, that is, the ohmic electrode surface of the SBD made of one SiC and the Schottky electrode surface of the SBD made of the other SiC are connected on the same plane. The SiC-S
There is no wiring between BD and the current route in the module is 19 →
When 16 → 2 → 17 → 18, the electromagnetic radiation noise can be reduced. Especially when the transient current is 2
It is expected that the effect of reducing the electromagnetic radiation noise according to the present invention when flowing through the air is large. By reducing such electromagnetic radiation noise, module malfunction can be reduced.
【００４４】本実施の形態による電力半導体モジュール
においては、例えば、スイッチング素子の耐圧が５ｋＶ
で、ＳｉＣ−ＳＢＤが同一の耐圧能力を持ちそれぞれ耐
圧２．５ｋＶであれば直列に２個接続された２は耐圧
５．０ｋＶとなり、１８の外部配線用コレクタ導体と１
９の外部配線用エミッタ導体間に印加される電圧が５．
０ｋＶ以下であれば、電力半導体モジュールとして正常
な動作が可能となり、高電圧の電力変換回路において使
用することが可能となる。In the power semiconductor module according to the present embodiment, for example, the withstand voltage of the switching element is 5 kV.
If the SiC-SBDs have the same withstand voltage capability and each have a withstand voltage of 2.5 kV, the two connected in series will have a withstand voltage of 5.0 kV, and 18 collector conductors for external wiring and 1
9, the voltage applied between the external wiring emitter conductors is 5.
If it is 0 kV or less, normal operation as a power semiconductor module becomes possible, and it can be used in a high-voltage power conversion circuit.
【００４５】さらに、本実施の形態による電力半導体モ
ジュールを図１の回路内の半導体モジュール１Ａ〜１Ｄ
として使用すれば、２Ａ〜２ＤはＳｉＣ−ＳＢＤが直列
に２個接続された還流ダイオードであるので、スイッチ
ング素子３Ａ〜３Ｄのいずれかがオン状態に移行すると
きに生じる逆回復電流によるエネルギー損失を大きく減
らすことが可能となる。Further, the power semiconductor module according to the present embodiment is connected to the semiconductor modules 1A to 1D in the circuit of FIG.
Since 2A to 2D are freewheeling diodes in which two SiC-SBDs are connected in series, the energy loss due to the reverse recovery current that occurs when any of the switching elements 3A to 3D shifts to the ON state is considered. It can be greatly reduced.
【００４６】また、本実施の形態による電力半導体モジ
ュールはスイッチング素子３Ａ〜３ＤがＩＧＢＴあるい
はＭＯＳＦＥＴであるので、単相ブリッジインバーター
回路の高速なスイッチング動作が可能となる。In the power semiconductor module according to the present embodiment, since the switching elements 3A to 3D are IGBTs or MOSFETs, a high-speed switching operation of the single-phase bridge inverter circuit can be performed.
【００４７】本実施の形態で明らかなように、本発明に
係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使
用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失
を低減することが可能となり、かつ、高電圧の電力変換
回路において使用することが可能となる。As is apparent from the present embodiment, by using the power semiconductor module according to the present invention in a power conversion circuit, it is possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current, and to reduce the power consumption of the high voltage. It can be used in a conversion circuit.
【００４８】本実施の形態では直列接続されたＳｉＣ−
ＳＢＤ２の１組に対してスイッチング素子３が１つ逆並
列に接続されているが、直列接続されたＳｉＣ−ＳＢＤ
２の１組に対して２つ以上のスイッチング素子を逆並列
に接続しても、本実施の形態と同様な効果が期待でき
る。In this embodiment, SiC-
One switching element 3 is connected in anti-parallel to one set of SBDs 2, but SiC-SBDs connected in series
Even when two or more switching elements are connected in anti-parallel to one set of 2, the same effect as in the present embodiment can be expected.
【００４９】本実施の形態では１組の直列接続するＳｉ
Ｃ−ＳＢＤをスイッチング素子に逆並列に接続したが、
２組が並列に接続された直列接続するＳｉＣ−ＳＢＤを
スイッチング素子と逆並列に接続した場合、還流ダイオ
ードに順方向電流が流れているときの定常損失を低くす
ることが可能となる。In this embodiment, a set of Sis connected in series
Although C-SBD was connected in anti-parallel to the switching element,
When two sets of SiC-SBDs connected in series and connected in parallel are connected in anti-parallel with the switching element, it is possible to reduce the steady-state loss when a forward current flows through the freewheeling diode.
【００５０】実施の形態４ 図５に本発明による電力半導体モジュールの実施の形態
を示す。本発明による電力半導体モジュールはスイッチ
ング素子３と、ワイヤボンド２３により直列接続された
ＳｉＣ−ＳＢＤ１０の組が２組搭載されており、互いに
２５の電気導体により接続されている。３はスイッチン
グ素子であるＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴ、１３はス
イッチング素子のエミッタあるいはソース電極、２９は
電源の正極側と接続される接続端子、３０は電源の負極
側と接続される接続端子、２６は負荷と接続される接続
端子、１７は絶縁基板上のコレクタ配線、２７、２８は
絶縁基板上のエミッタ配線、２１はＡｌＮ絶縁基板、２
２は銅またはＳｉＣ／Ａｌのベース板である。通常ベー
ス板２２上の半導体素子を含む回路部分は筐体で囲ま
れ、シリコン樹脂で充填される。Embodiment 4 FIG. 5 shows an embodiment of a power semiconductor module according to the present invention. The power semiconductor module according to the present invention has two sets of the switching element 3 and the SiC-SBD 10 connected in series by the wire bond 23, and is connected to each other by 25 electric conductors. Reference numeral 3 denotes an IGBT or MOSFET as a switching element, 13 denotes an emitter or source electrode of the switching element, 29 denotes a connection terminal connected to the positive electrode of the power supply, 30 denotes a connection terminal connected to the negative electrode of the power supply, and 26 denotes a load. Connection terminals to be connected, 17 is a collector wiring on the insulating substrate, 27 and 28 are emitter wirings on the insulating substrate, 21 is an AlN insulating substrate,
Reference numeral 2 denotes a copper or SiC / Al base plate. Normally, a circuit portion including the semiconductor element on the base plate 22 is surrounded by a housing and is filled with a silicone resin.
【００５１】図６に、本実施の形態による電力半導体モ
ジュール内の直列に２個接続されたＳｉＣ−ＳＢＤ部の
形態を示す。本実施の形態の直列に２個接続されたＳｉ
Ｃ−ＳＢＤ部の形態は、一方のＳｉＣからなるＳＢＤの
オーミック電極面と他方のＳｉＣからなるＳＢＤのショ
ットキー電極面が電気導体を介して直列接続されてい
る。１０はＳｉＣ−ＳＢＤのＳｉＣ主要部材、１１はＳ
ｉＣ−ＳＢＤのショットキー電極部、１２はＳｉＣ−Ｓ
ＢＤのオーミック電極部であり、２３は一方のＳｉＣ−
ＳＢＤのショットキー電極と他方のＳｉＣ−ＳＢＤのオ
ーミック電極とを接続する接続導体である。電気導体２
３を介して２つのＳｉＣ−ＳＢＤが直列に接続される。
接続導体２３としては、ワイヤボンドあるいは銅板等の
金属導体が望ましい。FIG. 6 shows a form of two SiC-SBDs connected in series in the power semiconductor module according to the present embodiment. In this embodiment, two Sis connected in series
In the form of the C-SBD portion, the ohmic electrode surface of the SBD made of one SiC and the Schottky electrode surface of the SBD made of the other SiC are connected in series via an electric conductor. 10 is the main SiC member of SiC-SBD, 11 is S
Schottky electrode portion of iC-SBD, 12 is SiC-S
23 is an ohmic electrode portion of the BD, and 23 is one SiC-
It is a connection conductor for connecting the SBD Schottky electrode and the other SiC-SBD ohmic electrode. Electric conductor 2
3, two SiC-SBDs are connected in series.
The connection conductor 23 is preferably a metal conductor such as a wire bond or a copper plate.
【００５２】図６では、接続導体２３を一方のＳｉＣ−
ＳＢＤの電極と他方のＳｉＣ−ＳＢＤの電極とを直接に
接続するものであるが、中継端子を介して２つ以上の接
続導体により直列に接続してもよい。In FIG. 6, the connection conductor 23 is connected to one SiC-
Although the SBD electrode and the other SiC-SBD electrode are directly connected, they may be connected in series by two or more connection conductors via a relay terminal.
【００５３】本発明による電力半導体モジュールを単相
ブリッジインバーターに使用する場合、本発明による電
力半導体モジュールを２台使用することにより単相ブリ
ッジインバーター回路を形成する事が可能となる。例え
ば、図１中の２６、２９、３０は図６の同一番号に対応
する。When the power semiconductor module according to the present invention is used for a single-phase bridge inverter, a single-phase bridge inverter circuit can be formed by using two power semiconductor modules according to the present invention. For example, 26, 29, and 30 in FIG. 1 correspond to the same numbers in FIG.
【００５４】本実施の形態による電力半導体モジュール
において、図５のワイヤボンド２３により直列接続され
たＳｉＣ−ＳＢＤ １０に還流電流が流れると、ＳｉＣ
−ＳＢＤであってもエネルギー損失がありＳｉＣ−ＳＢ
Ｄ １０の温度が上昇する。ＳｉＣ−ＳＢＤ １０で発生
した熱は、１７、２７、２８→２１→２２→冷却フィン
の順で外部へ放出される。一方のＳｉＣからなるＳＢＤ
のオーミック電極面と、他方のＳｉＣからなるＳＢＤの
ショットキー電極面が電気導体を介して直列接続するこ
とにより、直列接続されるＳｉＣ−ＳＢＤを任意の距離
に設置することが可能となる。その場合、直列接続され
るＳｉＣ−ＳＢＤから外部への熱伝達経路は並列経路と
することが可能となり、それぞれのＳｉＣ−ＳＢＤの冷
却能力を高くすることができるので、ＳｉＣ−ＳＢＤの
安定な動作を可能とする。In the power semiconductor module according to the present embodiment, when a return current flows through SiC-SBDs 10 connected in series by wire bonds 23 in FIG.
-Even with SBD, there is energy loss and SiC-SB
The temperature of D10 increases. The heat generated in the SiC-SBD 10 is released to the outside in the order of 17, 27, 28 → 21 → 22 → cooling fin. SBD made of one SiC
And the Schottky electrode surface of the other SBD made of SiC are connected in series via an electric conductor, whereby the SiC-SBD connected in series can be installed at an arbitrary distance. In that case, the heat transfer path from the SiC-SBD connected in series to the outside can be a parallel path, and the cooling capacity of each SiC-SBD can be increased, so that the stable operation of the SiC-SBD can be achieved. Is possible.
【００５５】本実施の形態による電力半導体モジュール
においては、例えば、スイッチング素子の耐圧が６ｋＶ
で、ＳｉＣ−ＳＢＤが同一の耐電圧能力を持ちそれぞれ
耐電圧３．０ｋＶであれば直列に２個接続された２は耐
電圧６．０ｋＶとなり、２９と２６間、あるいは２６と
３０間の印加電圧が６．０ｋＶ以下であれば、電力半導
体モジュールとして正常な動作が可能となり、高電圧の
電力変換回路において使用することが可能となる。In the power semiconductor module according to the present embodiment, for example, the withstand voltage of the switching element is 6 kV.
If the SiC-SBDs have the same withstand voltage capability and each have a withstand voltage of 3.0 kV, the two connected in series have a withstand voltage of 6.0 kV, and the voltage between 29 and 26 or between 26 and 30 is applied. When the voltage is equal to or lower than 6.0 kV, normal operation as a power semiconductor module can be performed, and the power semiconductor module can be used in a high-voltage power conversion circuit.
【００５６】さらに、本実施の形態による電力半導体モ
ジュールを図１の回路で使用すれば、２Ａ〜２ＤはＳｉ
Ｃ−ＳＢＤが直列に２個接続された還流ダイオードであ
るので、スイッチング素子３Ａ〜３Ｄがオン状態に移行
するときに生じる逆回復電流によるエネルギー損失を大
きく減らすことが可能となる。Furthermore, if the power semiconductor module according to the present embodiment is used in the circuit of FIG.
Since two C-SBDs are freewheeling diodes connected in series, it is possible to greatly reduce the energy loss due to the reverse recovery current that occurs when the switching elements 3A to 3D shift to the ON state.
【００５７】また、本実施の形態による電力半導体モジ
ュールを、例えば図１の単相ブリッジインバーター回路
で使用すれば、本実施の形態による電力半導体モジュー
ル内のスイッチング素子３Ａ〜３ＤはＩＧＢＴあるいは
ＭＯＳＦＥＴであるので、単相ブリッジインバーター回
路の高速なスイッチング動作が可能となる。When the power semiconductor module according to the present embodiment is used in, for example, the single-phase bridge inverter circuit of FIG. 1, the switching elements 3A to 3D in the power semiconductor module according to the present embodiment are IGBTs or MOSFETs. Therefore, a high-speed switching operation of the single-phase bridge inverter circuit becomes possible.
【００５８】本実施の形態では直列接続されたＳｉＣ−
ＳＢＤ２の１組に対してスイッチング素子３が１つ逆並
列に接続されているが、直列接続されたＳｉＣ−ＳＢＤ
２の１組に対して２つ以上のスイッチング素子を逆並列
に接続しても、本実施の形態と同様な効果が期待でき
る。In the present embodiment, the SiC-
One switching element 3 is connected in anti-parallel to one set of SBDs 2, but SiC-SBDs connected in series
Even when two or more switching elements are connected in anti-parallel to one set of 2, the same effect as in the present embodiment can be expected.
【００５９】本実施の形態では１組の直列接続するＳｉ
Ｃ−ＳＢＤをスイッチング素子に逆並列に接続したが、
２組が並列に接続された直列接続するＳｉＣ−ＳＢＤを
スイッチング素子と逆並列に接続した場合、還流電流が
流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を
低くすることが可能となる。In this embodiment, one set of Sis connected in series
Although C-SBD was connected in anti-parallel to the switching element,
When two sets of SiC-SBDs connected in series and connected in parallel are connected in anti-parallel with the switching element, it is possible to reduce the steady-state loss of the return diode when a return current is flowing.
【００６０】[0060]
【発明の効果】以上の様に、電力変換回路において、少
なくとも１つのスイッチング素子とＳｉＣからなる２個
以上のショットキーバリアダイオードが直列に接続され
た部分を搭載する半導体モジュールであって、前記の直
列に接続された少なくとも２個以上のＳｉＣからなるシ
ョットキーバリアダイオードを前記スイッチング素子と
逆並列に接続した構造を持つ電力半導体モジュールを使
用することによって、定格電圧が高い電力変換回路にお
いても還流ダイオードの逆回復電流が原因となって生じ
るエネルギー損失を低減することができる。As described above, in the power conversion circuit, there is provided a semiconductor module having a portion in which at least one switching element and two or more Schottky barrier diodes made of SiC are connected in series. By using a power semiconductor module having a structure in which at least two or more SiC Schottky barrier diodes connected in series are connected in antiparallel with the switching element, a freewheeling diode can be used even in a power conversion circuit having a high rated voltage. Energy loss caused by the reverse recovery current of the semiconductor device can be reduced.
【００６１】さらに、直列に接続するＳｉＣからなるＳ
ＢＤの数を２個以上３個以下とすることによって、高電
圧の電力変換回路において、還流電流が流れているとき
においての還流ダイオードの定常損失を制限することが
可能となる。Further, S made of SiC connected in series
By setting the number of BDs to two or more and three or less, it becomes possible to limit the steady-state loss of the freewheeling diode when the freewheeling current flows in the high-voltage power conversion circuit.
【００６２】さらに、直列に接続するＳｉＣからなるＳ
ＢＤの複数組を並列に接続する事によって、直列に接続
されたＳｉＣ−ＳＢＤからなる還流ダイオード部の通電
時における電圧降下を下げ、還流ダイオード部の損失を
低くすることが可能となる。Further, S made of SiC connected in series
By connecting a plurality of sets of BDs in parallel, it is possible to reduce the voltage drop during energization of the freewheeling diode section composed of SiC-SBDs connected in series, and to reduce the loss of the freewheeling diode section.
【００６３】さらに、本発明モジュールに搭載するスイ
ッチング素子をＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴにするこ
とにより、電力変換回路の高速なスイッチング動作が可
能となる。Further, by using an IGBT or a MOSFET as the switching element mounted on the module of the present invention, a high-speed switching operation of the power conversion circuit becomes possible.
【００６４】さらに、一方のＳｉＣからなるＳＢＤのオ
ーミック電極面と、他方のＳｉＣからなるＳＢＤのショ
ットキー電極面が、同一平面上で接続されることによ
り、電磁放射ノイズを低減することが可能となり、モジ
ュール誤動作の低減を行うことが可能となる。Further, since the ohmic electrode surface of the SBD made of one SiC and the Schottky electrode surface of the SBD made of the other SiC are connected on the same plane, electromagnetic radiation noise can be reduced. In addition, it is possible to reduce module malfunction.
【００６５】さらに、一方のＳｉＣからなるＳＢＤのオ
ーミック電極面と他方のＳｉＣからなるＳＢＤのショッ
トキー電極面が電気導体を介して直列接続することによ
り、それぞれのＳｉＣ−ＳＢＤの冷却能力を高くするこ
とが出来、ＳｉＣ−ＳＢＤの安定な動作を可能とする。Further, the ohmic electrode surface of the SBD made of one SiC and the Schottky electrode surface of the SBD made of the other SiC are connected in series via an electric conductor, thereby increasing the cooling capacity of each SiC-SBD. This enables a stable operation of the SiC-SBD.
【図１】 本発明の電力半導体モジュールを使用した単
相ブリッジインバーターの回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a single-phase bridge inverter using a power semiconductor module of the present invention.
【図２】 実施の形態２を説明する単相ブリッジインバ
ーター回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a single-phase bridge inverter illustrating a second embodiment.
【図３】 実施の形態３のモジュール構造を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram illustrating a module structure according to a third embodiment;
【図４】 実施の形態３の主要部分を説明する図であ
る。FIG. 4 is a diagram illustrating a main part of a third embodiment.
【図５】 実施の形態４のモジュール構造を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a module structure according to a fourth embodiment.
【図６】 実施の形態４の主要部分を説明する図であ
る。FIG. 6 is a diagram illustrating a main part of a fourth embodiment.
【図７】 従来の単相ブリッジインバーターの回路図で
ある。FIG. 7 is a circuit diagram of a conventional single-phase bridge inverter.
【図８】 ＰＷＭ出力波形を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a PWM output waveform.
１Ａ〜１Ｄ 電力半導体モジュール、２ ＳｉＣ−ＳＢ
Ｄ、２Ａ〜２Ｄ ＳｉＣ−ＳＢＤ、３ スイッチング素
子、３Ａ〜３Ｄ スイッチング素子、４ 負荷、５ 直
流電源、６Ａ〜６Ｄ 電力半導体モジュール、７Ａ〜７
Ｄ Ｓｉ−ＰｉＮダイオード、８ コンデンサー、１０
ＳｉＣ主要部材、１１ オーミック電極部、１２ シ
ョットキー電極部、１３ スイッチング素子のエミッタ
電極、１６ 金属導体、１７ コレクタ配線、１８ コ
レクタ導体、１９ エミッタ導体、２１ ＡｌＮ絶縁基
板、２２ 銅ベース板、２３ 接続導体、２５ 電気導
体、２６ 負荷接続端子、２７、２８ エミッタ配線、
２９ 正極側電源接続端子、３０ 負極側電源接続端
子。1A to 1D power semiconductor module, 2 SiC-SB
D, 2A to 2D SiC-SBD, 3 switching elements, 3A to 3D switching element, 4 load, 5 DC power supply, 6A to 6D power semiconductor module, 7A to 7
D Si-PiN diode, 8 capacitors, 10
SiC main member, 11 ohmic electrode, 12 Schottky electrode, 13 emitter electrode of switching element, 16 metal conductor, 17 collector wiring, 18 collector conductor, 19 emitter conductor, 21 AlN insulating substrate, 22 copper base plate, 23 connection Conductor, 25 electric conductor, 26 load connection terminal, 27, 28 emitter wiring,
29 Positive power supply connection terminal, 30 Negative power supply connection terminal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 達也 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H007 AA01 AA03 AA17 CA01 CB04 CB05 CC03 EA02 FA13 FA20 HA03 HA04 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Tatsuya Okuda 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo F-term (reference) 5H007 AA01 AA03 AA17 CA01 CB04 CB05 CC03 EA02 FA13 FA20 HA03 HA04
Claims (5)
半導体モジュールであって、少なくとも１個のスイッチ
ング素子とＳｉＣからなる２個以上のショットキーバリ
アダイオードが直列に接続された部分を搭載し、前記の
直列に接続された少なくとも２個以上のＳｉＣからなる
ショットキーバリアダイオードを前記スイッチング素子
と逆並列に接続した電力半導体モジュール。1. A power semiconductor module used in a power conversion circuit, comprising: a portion in which at least one switching element and two or more Schottky barrier diodes made of SiC are connected in series; A power semiconductor module in which at least two or more Schottky barrier diodes made of SiC connected in series are connected in antiparallel with the switching elements.
ットキーバリアダイオードの数が２個以上３個以下であ
ることを特徴とする請求項１記載の電力半導体モジュー
ル。2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the number of the Schottky barrier diodes made of SiC connected in series is two or more and three or less.
ットキーバリアダイオードの複数組をさらに並列に接続
した請求項１記載の電力半導体モジュール。3. The power semiconductor module according to claim 1, wherein a plurality of sets of the Schottky barrier diodes made of SiC connected in series are further connected in parallel.
ＯＳＦＥＴである請求項１、２または３記載の電力半導
体モジュール。4. The switching element is an IGBT or M
4. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the power semiconductor module is an OSFET.
アダイオードのオーミック電極面と、他方のＳｉＣから
なるショットキーバリアダイオードのショットキー電極
面が、同一平面上で接続されるかあるいは電気導体を介
して直列接続されることを特徴とする請求項１、２、３
または４記載の電力半導体モジュール。5. An ohmic electrode surface of one Schottky barrier diode made of SiC and a Schottky electrode surface of another Schottky barrier diode made of SiC are connected on the same plane or via an electric conductor. 4. The device according to claim 1, wherein the devices are connected in series.
Or the power semiconductor module according to 4.
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