JP2006166696A

JP2006166696A - 寄生インダクタンスの低下されたパワー半導体モジュール

Info

Publication number: JP2006166696A
Application number: JP2005335661A
Authority: JP
Inventors: Dejan Schreiber; シュライバーデヤン; Heinrich Heilbronner; ハイルブロンナーハインリヒ
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2006-06-22
Also published as: EP1670131A2; DE102004059313B3; CN100533729C; CN1812090A; US7751207B2; KR101089026B1; EP1670131A3; KR20060065499A; US20060158914A1

Abstract

【課題】僅かな寄生インダクタンスを有し交流出力部の追加的なフレキシブルな配線が可能であるパワー半導体モジュールを示す。
【解決手段】ハウジング（３０）を備え、そこには１つの又は複数のハーフブリッジ回路装置が配設されるパワー半導体モジュールにおいて、各ハーフブリッジ回路装置はＴＯＰパワースイッチとＢＯＴパワースイッチとを有し、各パワースイッチはパワートランジスタ（１０、１２）と付設のパワーダイオード（２０、２２）とから構成され、正極性の直流端子（４０）と負極性の直流端子（５０）とを有し、ハーフブリッジ回路装置ごとに直接的には互いに電気接続されていない２つの交流端子（６２、６４）を有する。各ＴＯＰトランジスタはＢＯＴスイッチのパワーダイオードと第１交流端子と接続されていて、各ＢＯＴトランジスタはＴＯＰスイッチのパワーダイオードと第２交流端子と接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明はパワー半導体モジュールに関し、このパワー半導体モジュールでは、モジュールの内部の寄生インダクタンスが標準パワー半導体モジュールに対して減少されている。この際、内部回路装置がハーフブリッジ回路として構成されているパワー半導体モジュールが考察されるべきである。同様に、内部回路装置が、複数のハーフブリッジ回路から成る並列回路（これには例えばフルブリッジ回路並びに３相ブリッジ回路が属する）として、又は、ハーフブリッジの複数の適切な部分回路による並列回路から構成されている。そのための多様な従来技術は例えば特許文献１及び特許文献２から形成される。

特許文献１ではハーフブリッジにおいて直流リード内の寄生インダクタンスを減少させるための回路装置が記載される。この際、両方の直流リードは狭い間隔で隣接されるが、交流リードとはプラスリードとマイナスリードとの間で少なくとも部分的に互いに平行に配設される。このことは、リードが狭い間隔で隣接配置されている領域において電流の流れで取り囲まれる面が小さくされ、それによりこのリード部分のインダクタンスが結果として比較的僅かになる。

しかし特許文献１では最小寄生インダクタンスの目的が２つの本質的な理由から達成されない。第１に、直流端子導体が互いに最小間隔では配設されてなく、その理由はここでは交流端子導体が両方の直流端子導体間に配設されているためである。従って直流端子導体の領域において電流の流れで取り囲まれる面は最小ではなく、それによりこの領域におけるインダクタンスも最小ではない。第２に、第１パワースイッチと第２パワースイッチとが互いに比較的遠くに離れて配設されていて、このことは同様に寄生インダクタンスを増加させてしまう。

特許文献２は、寄生インダクタンスの減少にとって極めて手間と費用がかかるが極めて有効な最新の回路装置を開示している。ここでは、パワー半導体モジュール内部において電流の流れで取り囲まれる全ての面が、できるかぎり最小化される。この際、パワー半導体モジュールのこの種の構成における構造上且つ製造上の多大な手間と費用は短所である。

前述の従来技術に従う全てのパワー半導体モジュールはハーフブリッジ回路ごとに交流電圧出力部を有する。このことは、電流が各々のハーフブリッジの第１（ＴＯＰ）ブランチ又は第２（ＢＯＴ）ブランチを介して流れるかどうかに依存し、パワー半導体モジュールの外部配線が異なって構成されるべき場合には不利である。

独国特許出願公開第3937045A1号明細書独国特許発明第10037533C1号明細書

本発明の基礎を成す課題は、僅かな寄生インダクタンスを有し、簡単な製造で可能とされ、交流出力部の追加的なフレキシブルな配線が可能である、パワー半導体モジュールを紹介することである。

前記の課題は、本発明に従い、請求項１及び２の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。

本発明に従うパワー半導体モジュールは僅かな寄生インダクタンスを有し、むろん個々のコンポーネントの配置構成において前記従来技術とは異なった構成に基づいている。

パワー半導体モジュール自体はハウジングを有する。最初の構成としてこのハウジング内には１つのハーフブリッジ回路装置又は複数の並列のハーフブリッジ回路装置が配設されている。このハーフブリッジ回路装置の各々は第１（ＴＯＰ）パワースイッチと第２（ＢＯＴ）パワースイッチとを有し、この際、各パワースイッチは、少なくとも１つのパワートランジスタと、所謂フリーホイールダイオードであるそれに付設の少なくとも１つのパワーダイオードとから構成されている。更にパワー半導体モジュールは少なくとも１つの正極性の直流端子と少なくとも１つの負極性の直流端子とを有する。本発明に従い、パワー半導体モジュール内に配設されている各ハーフブリッジ回路装置は、パワー半導体モジュールの内部にて電気的に直接的には互いに接続されていない少なくとも２つの交流端子を有する。

僅かな寄生インダクタンスは、ハーフブリッジ回路装置ごとに、少なくとも１つのＴＯＰトランジスタが、ＢＯＴスイッチに付設されている少なくとも１つのパワーダイオードと、このハーフブリッジ回路装置に付設されている第１交流端子と接続されていることにより達成される。同様にハーフブリッジ回路装置ごとに、少なくとも１つのＢＯＴトランジスタが、ＴＯＰスイッチの少なくとも１つのパワーダイオードと、このハーフブリッジ回路装置に付設されている第２交流端子と接続されている。

僅かな寄生インダクタンスのための決定的な基準は、コミュテーション（転流）中、この際に電流の流れで取り囲まれる面ができるだけ小さいことである。従来技術ではＴＯＰトランジスタに対しそれに付設のフリーホイールダイオードが近くに隣接して配設されている。例えばＴＯＰスイッチをスイッチオフした場合のコミュテーション時、電流はＴＯＰトランジスタを通じ、引き続きＢＯＴスイッチに付設されているフリーホイールダイオードを通じて流れる。当然のことであるがＢＯＴスイッチをスイッチオフした場合にＴＯＰスイッチのフリーホイールダイオードも同様に振舞う。ＴＯＰトランジスタとＢＯＴフリーホイールダイオードとを第１交流端子に対して配置構成することにより、及び、ＢＯＴトランジスタとＴＯＰフリーホイールダイオードとを第２交流端子に対して配置構成することにより、コミュテーション過程時、電流の流れで取り囲まれる面は従来技術における配置構成におけるよりも小さくなる。従ってパワー半導体モジュール内の寄生インダクタンスが低下されている。

ＴＯＰトランジスタ及びＢＯＴトランジスタに付設されている各々の交流端子に一方の交流端子を分けることは更にパワー半導体モジュールのフレキシブルな外部配線を可能にする。従って交流端子の配線は、電流が各々のハーフブリッジ回路装置の第１（ＴＯＰ）ブランチ又は第２（ＢＯＴ）ブランチを介して流れるかどうかに依存し、異なって構成され得る。

他の構成ではハウジング（３２）内にハーフブリッジ回路装置の複数の同一部分回路が配設されている。この際、完全なハーフブリッジ回路装置は前述のように第１（ＴＯＰ）パワースイッチと第２（ＢＯＴ）パワースイッチとから構成される。このパワー半導体モジュールは少なくとも１つの正極性の直流端子と少なくとも１つの負極性の直流端子とを有する。更にこのパワー半導体モジュールの第１構成部内で各部分回路は、少なくとも１つのＴＯＰトランジスタと、ＢＯＴスイッチの少なくとも１つのパワーダイオードと、交流端子とを有し、この際、これらのコンポーネントは回路に適して互いに接続されている。選択的にこのパワー半導体モジュールの第２構成部は、少なくとも１つのＢＯＴトランジスタと、ＴＯＰスイッチの少なくとも１つのパワーダイオードと、交流端子とを有し、この際、これらのコンポーネントは回路に適して互いに接続されている。

本発明の思想を図１〜図４における実施形態に基づいて更に説明する。

図１はハーフブリッジ回路装置又は３相ブリッジ回路装置を備えたパワー半導体モジュールの従来技術を概要として示している。ここで図１ａは、ハウジング（３０）を備えたパワー半導体モジュールを概要として示している。このハウジング（３０）内には第１（ＴＯＰ）パワースイッチと第２（ＢＯＴ）パワースイッチとが配設されている。各々のパワースイッチは、少なくとも１つのパワートランジスタ（１０、１２）、好ましくはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と、逆並列接続された少なくとも１つのフリーホイールダイオード（２０、２２）とから構成され、この際、各々のトランジスタとそれに付設のフリーホイールダイオードとは互いに狭い間隔で隣接して配設されている。ＴＯＰスイッチは正極性の直流端子（４０）と接続されていて、ＢＯＴスイッチは負極性の直流端子（５０）と接続されている。更に両方のスイッチは互いに接続され且つ交流端子（６０）と接続されている。

図１ｂはハウジング（３０）を備えた他のパワー半導体モジュールを示している。このハウジング（３０）内では３つのハーフブリッジ回路装置が並列配設されていて３相ブリッジ回路を形成している。これらのハーフブリッジの各々は図１ａに関して説明したように構成されている。更に各々のＴＯＰスイッチは共通して正極性の直流端子（４０）と接続されていて、各々のＢＯＴスイッチは負極性の直流端子（５０）と接続されている。各ハーフブリッジ回路はハウジング（３０）から導き出されている固有の交流端子（６０ａ、ｂ、ｃ）と接続されている。

図２はハーフブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールを示している。ここで図２ａは、ハウジング（３０）とハーフブリッジ回路装置とを備えたパワー半導体モジュールを概要として示している。この際、ＴＯＰスイッチは、並列接続された２つのＴＯＰトランジスタ（１０）、好ましくはＩＧＢＴと、それに付設され同様に並列接続されたフリーホイールダイオード（２０）とから構成されている。これに対応し、ＢＯＴスイッチは、並列接続された２つのＢＯＴトランジスタ（１２）と、それに付設され同様に並列接続されたフリーホイールダイオード（２２）とから構成されている。各スイッチのフリーホイールダイオードは、ここでは空間的に各々別のスイッチの近くに各々配設されている。

ハーフブリッジ回路装置のコンポーネントの配置構成により既に分かるが、ＴＯＰトランジスタ（１０）と、ＢＯＴスイッチのフリーホイールダイオード（２２）とを、ＢＯＴトランジスタ（１２）とＴＯＰスイッチのフリーホイールダイオード（２０）についても同様であるが、互いに狭い間隔で隣接して配設することは特に有利である。このことは更にパワー半導体モジュールの寄生インダクタンスを低下させる。

ＴＯＰトランジスタ（１０）の入力部（コレクタ）はハウジング（３０）の正極性の第１直流端子（４０）と接続されている。出力部（エミッタ）はハウジング（３０）の第１交流出力部（６２）と接続され且つＢＯＴスイッチのフリーホイールダイオード（２２）のカソードと接続されている。フリーホイールダイオード（２２）のアノードはハウジング（３０）の負極性の第１直流端子（５０）と接続されている。またこれに対応し、ＢＯＴトランジスタ（１２）と、ＴＯＰスイッチのフリーホイールダイオード（２０）と、ハウジング（３０）の第２交流端子（６４）との配置構成も形成されている。両方の交流端子（６２、６４）の直接的な外部接続により、図１ａに図示された従来技術によるパワー半導体モジュールの同一機能性が達成される。

図２ｂはハーフブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成を示している。ハーフブリッジ回路のコンポーネントの配置構成は図２ａのものと同一である。それに対し、このパワー半導体モジュールは、各々１つの正極性或いは負極性の外部直流端子（４０；５０）だけを有している。更にここでは、第１交流出力部（６２）と第２交流出力部（６４）とが各々コイル（８０、８２）と配線されている。この種の配線は、例えば、ブリッジ短絡において各々のスイッチの破壊を防止するために示されていて、その理由は、その短絡電流がコイルにより誘導法則に基づきゆっくりと増加し、それにより駆動回路が各々のスイッチをそれらの破壊前にスイッチオフし得るためである。

図３は３相ブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールを示している。ここでは、ハウジング（３０）と３相ブリッジ回路装置とを備えたパワー半導体モジュールが概要として描かれている。その３相ブリッジ回路装置は、図２のもとで説明されたハーフブリッジ回路装置の３つのハーフブリッジ回路装置の並列配設から構成されている。全ての３つのハーフブリッジの全てのＴＯＰトランジスタ（１０ａ、ｂ、ｃ）の入力部（コレクタ）はハウジング（３０）の正極性の直流端子（４０）と接続されている。出力部（エミッタ）は、ハーフブリッジごとに、ハウジング（３０）の各々の第１交流出力部（６２ａ、ｂ、ｃ）と、ＢＯＴスイッチのフリーホイールダイオード（２２ａ、ｂ、ｃ）のカソードと接続されている。フリーホイールダイオード（２２ａ、ｂ、ｃ）のアノードはハウジング（３０）の負極性の直流端子（５０）と接続されている。またこれに対応し、ＢＯＴトランジスタ（１２ａ、ｂ、ｃ）と、ＴＯＰスイッチのフリーホイールダイオード（２０ａ、ｂ、ｃ）と、ハウジング（３０）のハーフブリッジごとの第２交流端子（６４ａ、ｂ、ｃ）との配置構成も形成されている。

図４は本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成を示している。ここで第１ハウジング（３２ａ）内には第１構成部が描かれ、第２ハウジング（３２ｂ）内には第２構成部が描かれている。第１構成部は第１ハウジング（３２ａ）を備え、この第１ハウジング（３２ａ）内には３相ブリッジ回路装置の１番目の部分回路が配設されていて、この際、これらの部分回路は、ＢＯＴスイッチのパワーダイオード（２２ａ、ｂ、ｃ）を備えたＴＯＰトランジスタ（１０ａ、ｂ、ｃ）の並列配設部と、固有の交流端子（６２ａ、ｂ、ｃ）とから構成されている。第２構成部は第２ハウジング（３２ｂ）を有し、この第２ハウジング（３２ｂ）内には３相ブリッジ回路装置の２番目の部分回路が配設されていて、この際、これらの部分回路は、ＴＯＰスイッチのパワーダイオード（２０ａ、ｂ、ｃ）を備えたＢＯＴトランジスタ（１２ａ、ｂ、ｃ）の並列配設部と、固有の交流端子（６４ａ、ｂ、ｃ）とから構成されている。

ここで描かれているリラクタンスモータ（８４）は３つのロータ巻線を有する。この際、第１ロータ巻線の第１端子は本発明に従うパワー半導体モジュールの第１構成部の第１部分回路の交流出力部（６２ａ）と接続されている。第１ロータ巻線の第２端子は本発明に従うパワー半導体モジュールの第２構成部の第１部分回路の交流出力部（６４ａ）と接続されている。同様にリラクタンスモータ（８４）の他の両方のロータ巻線はパワー半導体モジュールの第２部分回路及び第３部分回路と接続されている。

パワー半導体モジュールのこれらの両方の構成部の本発明による形成により、各々コミュテーション過程時に関与するハーフブリッジ回路のコンポーネントを、狭い間隔で隣接させ、それにより僅かな寄生インダクタンスを有するように共通のハウジング（３２ａ、ｂ）内に配設すること、及び、モータ、ここではリラクタンスモータ（８４）に対する適切な接続を保証することが可能である。

従来技術によるハーフブリッジ回路装置を備えたパワー半導体モジュールを示す図である。従来技術による３相ブリッジ回路装置を備えたパワー半導体モジュールを示す図である。ハーフブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールを示す図である。ハーフブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールを示す図である。３相ブリッジ回路装置を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールを示す図である。３相ブリッジ回路装置の部分回路を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成を示す図である。

符号の説明

１０パワートランジスタ
１２パワートランジスタ
２０フリーホイールダイオード
２２フリーホイールダイオード
３０ハウジング
３２ａ第１ハウジング
３２ｂ第２ハウジング
４０正極性の直流端子（直流ターミナル）
５０負極性の直流端子（直流ターミナル）
６０交流端子（交流ターミナル）
６２第１交流端子
６４第２交流端子
８０コイル
８２コイル
８４リラクタンスモータ

Claims

ハウジング（３０）を備え、このハウジング（３０）内には、ハーフブリッジ回路装置ごとに第１（ＴＯＰ）パワースイッチと第２（ＢＯＴ）パワースイッチとを備えた１つの又は複数のハーフブリッジ回路装置が配設されているパワー半導体モジュールにおいて、
各パワースイッチが、少なくとも１つのパワートランジスタ（１０、１２）と、それに付設の少なくとも１つのパワーダイオード（フリーホイールダイオード）（２０、２２）とから構成されていて、パワー半導体モジュールが少なくとも１つの正極性の直流端子（４０）と少なくとも１つの負極性の直流端子（５０）とを有し、ハーフブリッジ回路装置ごとに、電気的に直接的には互いに接続されていない少なくとも２つの交流端子（６２、６４）を有し、
各々少なくとも１つのＴＯＰトランジスタ（１０）が、ＢＯＴスイッチの少なくとも１つのパワーダイオード（２２）と、第１交流端子（６２）と接続されていて、各々少なくとも１つのＢＯＴトランジスタ（１２）が、ＴＯＰスイッチの少なくとも１つのパワーダイオード（２０）と、第２交流端子（６４）と接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
ハウジング（３２ａ、ｂ）を備え、このハウジング（３２ａ、ｂ）内にはハーフブリッジ回路装置における並列配設された複数の同一部分回路が設けられているパワー半導体モジュールにおいて、
ハーフブリッジ回路装置が第１（ＴＯＰ）パワースイッチと第２（ＢＯＴ）パワースイッチとから構成されていて、各パワースイッチが、少なくとも１つのパワートランジスタ（１０、１２）と、それに付設の少なくとも１つのパワーダイオード（フリーホイールダイオード）（２０、２２）とから構成されていて、パワー半導体モジュールが少なくとも１つの正極性の直流端子（４０）と少なくとも１つの負極性の直流端子（５０）とを有し、
ハーフブリッジ回路の各部分回路が、ＢＯＴスイッチの少なくとも１つのパワーダイオード（２２）を備えた少なくとも１つのＴＯＰトランジスタ（１０）と、交流端子（６２）とから構成されていて、これらが回路に適して互いに接続されている、又は、ＴＯＰスイッチの少なくとも１つのパワーダイオード（２０）を備えた少なくとも１つのＢＯＴトランジスタ（１２）と、交流端子（６４）とから構成されていて、これらが回路に適して互いに接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
全てのＴＯＰトランジスタ（１０）が、互いに及びＢＯＴスイッチのパワーダイオード（２２）に対し、狭い間隔で隣接して配設されている、及び／又は、全てのＢＯＴトランジスタ（１２）が、互いに及びＴＯＰスイッチのパワーダイオード（２０）に対し、狭い間隔で隣接して配設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
トランジスタ（１０、１２）がＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）として構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。