JP2003023769A - 電力用半導体モジュール - Google Patents

電力用半導体モジュール

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三郎 奥村
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裕 左右田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 IGBTQを搭載する電力用半導体モジュー
ルにスナバ回路を外部に設けることなくIGBTQを保
護させる電力用半導体モジュールを提供する。 【解決手段】 本発明の電力用半導体モジュールは,電
力用半導体チップQと,電力用半導体チップQの第1主
電極Cとゲート電極Gとの間に直列に複数個設けた,温
度変化率の小さいツェナー電圧を有するツェナーダイオ
ードチップZDC1,ZDC2,・・ZDCnと,電力
用半導体チップの第2主電極Eとゲート電極Gとの間に
設けた,温度変化率の小さいツェナー電圧を有するツェ
ナーダイオードチップZDE1,ZDE2とを備えたも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はツェナーダイオード
を内蔵した電力用半導体モジュールに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来,電力用半導体モジュールに図4に
示すようなものがある。すなわち,図示しない銅,鉄な
どの金属基板の上に図示しないセラミックスの絶縁板を
貼り付け,この絶縁板に電力用半導体チップQ,例え
ば,IGBTが搭載され貼り付けられている。このIG
BTQチップから外部接続用に端子C,E,Gが引き出
されている。この後,図示しない樹脂によりモールドさ
れている。
【0003】この電力用半導体モジュールを実装する場
合,特に負荷側にリアクトル成分があれば,IGBTQ
がオン状態からオフ状態に切り替わったとき,リアクト
ル成分のエネルギーが放出されるまで,過大電圧が発生
し,IGBTQが破損する恐れがある。このIGBTQ
が破損しないように,モジュール1の端子CE間に,ダ
イオード3とコンデンサ4との直列回路と,ダイオード
3と並列に抵抗5を接続したスナバ回路が接続されてい
る。
【0004】ところが,スナバ回路は容量に応じて大型
化し,外部配線が必要で,高コストになるという問題を
持っている。そこで,特開平6−204505号公報等
で見られるようにツェナーダイオードを内蔵したトラン
ジスタチップが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし,半導体(トラ
ンジスタ)に1つのツェナーダイオードを用いている。
このため,ツェナー電圧が高く,温度変化率が大きく,
半導体(トランジスタ)を保証する電圧以上になり,ス
ナバ回路を追加しなければ半導体(トランジスタ)を破
損させる恐れなどの問題を持っていた。
【0006】また,大容量の電力用半導体モジュールを
製作する場合,モジュール内部に小容量の電力用半導体
チップを複数個並列に接続し,大容量の電力用半導体モ
ジュールが形成される。この大容量の電力用半導体モジ
ュールでは,ツェナーダイオードのツェナー電圧にばら
つきがあると,リアクトル成分により発生した過大電圧
に対し,ツェナー電圧の低いツェナーダイオードが接続
された小容量の電力用半導体チップの動作をする。これ
によりそのチップが破損することがあった。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明の電力用
半導体モジュールは,電力用半導体チップと,電力用半
導体チップの第1主電極とゲート電極との間に,温度変
化率の小さいツェナー電圧を有するツェナーダイオード
を複数個直列に埋め込ませた第1ツェナーダイオードチ
ップと,電力用半導体チップの第2主電極とゲート電極
との間に,温度変化率の小さいツェナー電圧を有するツ
ェナーダイオードを埋め込ませた第2ツェナーダオード
チップとを備えたものである。電力用半導体チップに印
加する電圧が電力用半導体チップが持つ最大定格より大
きいときには,電力用半導体チップがオンして,保護す
る。
【0008】請求項2の発明は,並列に接続される電力
用半導体チップと,各電力用半導体チップの第1主電極
とゲート電極との間に,温度変化率の小さいツェナー電
圧を有するツェナーダイオードを複数個直列に埋め込ま
せた第1ツェナーダイオードチップと,各電力用半導体
チップの第2主電極とゲート電極との間に,温度変化率
の小さいツェナー電圧を有するツェナーダイオードを埋
め込ませた第2ツェナーダオードチップとを備え,か
つ,各電力用半導体チップのゲート電極間を橋絡したも
のである。この発明では,電力用半導体チップのうち一
番低い電圧のツェナーダイオードチップに電流が流れ
る。このとき,各ゲート間がワイヤにより橋絡されてい
るため,各ゲートに信号が入力し,電力用半導体チップ
は全て同時にオンとなる。これにより電力用半導体チッ
プ及び電力用半導体モジュールは保護される。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を,電力用半導
体モジュール内の等価回路を示す図1と,モジュール内
のチップ配置を示す図2とを参照して説明する。Qは電
力用半導体チップ,例えばIGBTチップ,D1は保護
用ダイオード,ZDC1,ZDC2・・ZDCnはツェ
ナーダイオードチップで,ツェナー電圧が温度変化に対
し安定した5乃至10Vのものが選択される。保護ダイ
オードD1と,ツェナーダイオードZDC1,ZDC
2,・・ZDCnは直列に接続され,電力用半導体チッ
プQの第1主電極のコレクタCとゲートG間に接続され
る。また,D2も保護用ダイオード,ZDE1,ZDE
2もツェナーダイオードチップで,ツェナー電圧が温度
変化に対し安定した5乃至10Vのものが選択される。
さらに,保護ダイオードD2,ツェナーダイオードZD
E1,ZDE2は直列に接続され,IGBTチップQの
ゲートGと第2主電極のエミッタE間に接続される。こ
こで,ツェナーダイオードZDE1とZDE2のツェナ
ー電圧の和はIGBTQのスレッシュホールド電圧以上
に選定される。
【0010】図2において,1は電力用半導体モジュー
ル,11は図示しない鉄,銅などの金属基板の上に貼り
付けられたセラミックスの絶縁板で,この絶縁板に銅回
路12,14,16,18,22,24が貼り付けられ
ている。銅回路12には電力用半導体チップQ,例え
ば,IGBTQと,外部接続用コレクタ端子13が搭載
され貼り付けられている。銅回路14,16,18には
それぞれ外部接続用エミッタ端子15,外部接続用ゲー
ト端子17,外部接続用制御エミッタ端子19が搭載さ
れ貼り付けられている。さらに,IGBTQチップのエ
ミッタ電極は銅回路14にワイヤ接続され,IGBTQ
チップのゲート電極は銅回路16にワイヤ接続され,銅
回路14と銅回路18との間はワイヤ接続されている。
【0011】ダイオードD1,ツェナーダイオードZD
C1,ZDC2,・・ZDCnが第1ツェナーダイオー
ドチップZDCに埋め込まれて銅回路22に貼り付けら
れている。銅回路12と第1ツェナーダイオードチップ
ZDCの一方の電極とはワイヤ接続され,他方の電極は
銅回路16とワイヤ接続されている。ダイオードD2,
ツェナーダイオードZDE1,ZDE2が第2ツェナー
ダイオードチップZDEに埋め込まれて銅回路24に貼
り付けられている。銅回路16と第2ツェナーダイオー
ドチップZDEの一方の電極とはワイヤ接続され,他方
の電極は銅回路18とワイヤ接続されている。この後,
図示しない樹脂によりモールドされている。
【0012】この電力用半導体モジュールを,負荷側に
リアクトル成分がある回路に実装する場合,IGBTQ
がオン状態からオフ状態に切り替わったとき,リアクト
ル成分のエネルギーが放出されるまで,過大電圧が発生
する。このとき,モジュールに印加する電圧が高く,ツ
ェナーダイオードZDC1,ZDC2,・・ZDCn,
ZDE1,ZDE2がオンすると,IGBTQのコレク
タ端子C,保護用ダイオードD1,ツェナーダイオード
ZDC1,ZDC2,・・ZDCn,ZDE1,ZDE
2を介して電流が流れる。ここで,ツェナーダイオード
ZDE1,ZDE2がオンにより,IGBTQのスレッ
シュホールド電圧を確保され,IGBTQはオンとな
る。これにより,IGBTQに電流が流れ,リアクトル
成分のエネルギーが放出される。
【0013】なお,直列接続されるツェナーダイオード
ZDC1,ZDC2,・・ZDCn,ZDE1,ZDE
2のツェナー電圧の合計電圧がIGBTQのコレクタエ
ミッタ間電圧にほぼ等しく選定すると,IGBTQに印
加する電圧が,IGBTQが持つ最大定格より大きいと
きにはIGBTQがオンして保護し,電圧が低い場合に
は損傷することがない。
【0014】上記実施形態では,直列接続される複数の
ツェナーダイオードを1つのチップに埋め込ませている
が,複数のツェナーダイオードチップ内に分けて埋め込
ませてもよい。
【0015】ところで,大容量の電力用半導体モジュー
ルでは,モジュール内部に小容量の電力用半導体チップ
を複数個並列に接続し,大容量の電力用半導体モジュー
ルを形成する。この大容量の電力用半導体モジュールで
は,ツェナーダイオードのツェナー電圧にばらつきがあ
ると,ツェナー電圧の低いツェナーダイオードが接続さ
れた小容量の電力用半導体チップの動作をする。これに
よりそのチップが破損することがある。図3の実施形態
のものは,小容量の電力用半導体チップを複数個並列に
接続した大容量の電力用半導体モジュールの改善を提案
するものである。
【0016】すなわち,図3において,Qa,Qb,Q
cはIGBTチップで,それぞれのコレクタCa,C
b,CcとゲートGa,Gb,Gcとの間に,保護用ダ
イオードD1,ツェナーダイオードZDC1,ZDC
2,・・ZDCnを直列接続状に埋め込んだツェナーダ
イオードチップZDCa,ZDCb,ZDCcが接続さ
れている。また,それぞれのゲートGa,Gb,Gcと
エミッタEa,Eb,Ecとの間に,保護用ダイオード
D2,ツェナーダイオードZDE1,ZDE2を直列接
続状に埋め込んだツェナーダイオードチップZDEa,
ZDEb,ZDEcが接続されている。それぞれのゲー
トGa,Gb,Gcと外部接続用ゲート端子Gとの間に
はバランス用抵抗Ra,Rb,Rcが接続されている。
さらに,各ゲートGa,Gb,Gc間はワイヤGsによ
り橋絡されている。
【0017】いま,ツェナーダイオードチップZDC
a,ZDCb,ZDCcとZDEa,ZDEb,ZDE
cにツェナー電圧にばらつきがある場合,一番低い電圧
のツェナーダイオードチップにまず電流が流れる。この
とき,各ゲート間がワイヤGsにより橋絡されているた
め,最初に流れたツェナーダイオードチップから各ゲー
トに信号が出力し,IGBTチップQa,Qb,Qcは
全て同時にオンとなる。これによりIGBTは保護され
る。また,スナバ回路を設ける必要もない。
【0018】上記実施形態ではIGBTチップについて
説明したが,電力用MOSFETにも適用できる。
【0019】
【発明の効果】本発明では,IGBTQに印加する電圧
が,IGBTQが持つ最大定格より大きいときにはIG
BTQがオンして保護し,電圧が低い場合にはそれ自身
の能力で損傷することがない。また,ツェナー電圧の温
度変化率が小さく,半導体(IGBT)を確実に保証す
ることができ,従来のようにスナバ回路を追加する必要
がない。
【0020】また,モジュール内部に小容量の電力用半
導体チップを複数個並列に接続した大容量の電力用半導
体モジュールでは,電力用半導体チップのうち一番低い
電圧のツェナーダイオードチップに電流が流れ,各ゲー
トに信号が入力し,各電力用半導体チップは全て同時に
オンとなる。これにより各電力用半導体チップ及び電力
用半導体モジュールは保護される。また,スナバ回路を
設ける必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力用半導体モジュールの実施形態の
図である。
【図2】図1の電力用半導体モジュールの内部説明図で
ある。
【図3】本発明の他の実施形態の図である。
【図4】従来技術の実施例の図である。
【符号の説明】
1 電力半導体モジュール Q 電力用半導体(IGBT)チップ C コレクタ E エミッタ G ゲート D1,D2 保護ダイオード ZDC1,ZDC2,ZDCn ツェナーダイオード ZDE1,ZDE2 ツェナーダイオード ZDC 第1ツェナーダイオードチップ ZDE 第2ツェナーダイオードチップ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力用半導体チップと,上記電力用半導
    体チップの第1主電極とゲート電極との間に,温度変化
    率の小さいツェナー電圧を有するツェナーダイオードを
    複数個直列に埋め込ませた第1ツェナーダイオードチッ
    プと,上記電力用半導体チップの第2主電極とゲート電
    極との間に,温度変化率の小さいツェナー電圧を有する
    ツェナーダイオードを埋め込ませた第2ツェナーダオー
    ドチップとを,備えた電力用半導体モジュール。
  2. 【請求項2】 並列に接続される電力用半導体チップ
    と,上記各電力用半導体チップの第1主電極とゲート電
    極との間に,温度変化率の小さいツェナー電圧を有する
    ツェナーダイオードを複数個直列に埋め込ませた第1ツ
    ェナーダイオードチップと,上記各電力用半導体チップ
    の第2主電極とゲート電極との間に,温度変化率の小さ
    いツェナー電圧を有するツェナーダイオードを埋め込ま
    せた第2ツェナーダオードチップとを備え,かつ,各電
    力用半導体チップのゲート電極間を橋絡した電力用半導
    体モジュール。
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