JP2006339222A

JP2006339222A - Semiconductor switch structure

Info

Publication number: JP2006339222A
Application number: JP2005158972A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Abe; 康阿部; Kiyoaki Sasagawa; 清明笹川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate assembling or alteration of a circuit by devising the structure of a semiconductor switch. <P>SOLUTION: A plurality of semiconductor switch modules M11a to M22a, e.g., M11a, M12a are installed on one, e.g., a metal base plate B1a of metal base plates B1a, B2a for fixing to a cooling structure HS1a, and these semiconductor switches M11a, M12a and the metal base plate B1a are insulated therebetween by an insulating material IB1a as one semiconductor switch. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、電力変換回路に用いられる半導体スイッチの構造に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor switch used in a power conversion circuit.

電力変換回路において、１アームが複数個の半導体素子（以下、単に素子とも言う）で構成されている場合について考える。
図５に、例えば特許文献１に記載の、素子を４直列接続して構成される２レベルインバータ（１相分）の例を示す。この回路で、素子はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）であり、Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４で示している。また、Ｍ１１〜Ｍ２２はＩＧＢＴモジュールで、各モジュールはＱ１１〜Ｑ２４のうちの２つの素子（Ｑ１１とＱ１２，Ｑ１３とＱ１４，Ｑ２１とＱ２２，Ｑ２３とＱ２４）と、絶縁材ＩＢ１２〜ＩＢ２２と金属ベース板Ｂ１１〜Ｂ２２とから構成されている。 Consider a case where one arm is composed of a plurality of semiconductor elements (hereinafter also simply referred to as elements) in a power conversion circuit.
FIG. 5 shows an example of a two-level inverter (for one phase) configured by connecting four elements in series as described in Patent Document 1, for example. In this circuit, the element is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which is indicated by Q11 to Q14 and Q21 to Q24. M11 to M22 are IGBT modules, and each module includes two elements of Q11 to Q24 (Q11 and Q12, Q13 and Q14, Q21 and Q22, Q23 and Q24), insulating materials IB12 to IB22, and a metal base plate. B11 to B22.

Ｃ１，Ｅ１Ｃ２，Ｅ２は各モジュールの端子である。冷却体ＨＳ１１〜ＨＳ２２は各モジュールに対して１つずつ設置し、これら冷却体の電位は、それぞれの冷却体に設置している素子の端子電圧最大値または最小値、すなわちＣ１またはＥ２端子と同電位となるようにしている。
上記回路において、各絶縁材ＩＢ１２〜ＩＢ２２に印加される電圧（素子の各端子−金属ベース板および冷却体間電圧）を考える。 C1, E1C2, and E2 are terminals of each module. One cooling body HS11 to HS22 is installed for each module, and the potential of these cooling bodies is the same as the terminal voltage maximum value or minimum value of the elements installed in each cooling body, that is, the C1 or E2 terminal. The electric potential is set.
In the above circuit, the voltage applied to each of the insulating materials IB12 to IB22 (each terminal of the element—the voltage between the metal base plate and the cooling body) is considered.

図６（ａ）は図５の上アーム素子（Ｑ１１〜Ｑ１４）がオンの場合を示し、この場合は４つの素子が短絡状態となっており、Ｃ１，Ｅ１Ｃ２，Ｅ２端子は全てＣ１電位となるため、絶縁材ＩＢ１１に印加される電位はほぼ０になる。一方、図６（ｂ）の上アーム素子（Ｑ１１〜Ｑ１４）がオフの場合は、下アーム素子（Ｑ２１〜Ｑ２４）はオンとなるため、直流電源電圧Ｅｄは全て上アーム素子に印加される。 FIG. 6A shows the case where the upper arm elements (Q11 to Q14) of FIG. 5 are on. In this case, the four elements are short-circuited, and the C1, E1C2, and E2 terminals are all at the C1 potential. Therefore, the potential applied to the insulating material IB11 is almost zero. On the other hand, when the upper arm elements (Q11 to Q14) in FIG. 6B are off, the lower arm elements (Q21 to Q24) are on, so that all the DC power supply voltage Ed is applied to the upper arm elements.

ここで、素子特性が全て同じとすると、４つの素子に印加される電圧は、それぞれＥｄ／４となる。冷却体の電位は端子Ｃ１と同じくＥｄ、Ｅ１Ｃ２端子は３Ｅｄ／４、Ｅ２端子はＥｄ／２であるため、絶縁材ＩＢ１１に印加される最大電圧はＥ２−冷却体の電圧であり、Ｅｄ／２となる。絶縁材に印加される最大電圧Ｅｉｎｓ．は、一般的に次式で求められる。
Ｅｉｎｓ．＝Ｅｄ／（１アーム当りの冷却体数）
このことから、上記Ｅｉｎｓ．が絶縁耐量を超えないように冷却体の分割数を決定すれば、素子の多数個直列接続回路を実現することができる。 Here, assuming that the element characteristics are all the same, the voltages applied to the four elements are each Ed / 4. Since the potential of the cooling body is the same as the terminal C1, Ed, the E1C2 terminal is 3Ed / 4, and the E2 terminal is Ed / 2, the maximum voltage applied to the insulating material IB11 is the voltage of the E2-cooling body, and Ed / 2 It becomes. Maximum voltage Eins. Is generally determined by the following equation.
Eins. = Ed / (Number of cooling bodies per arm)
From this, the Eins. If the number of divisions of the cooling body is determined so as not to exceed the dielectric strength, it is possible to realize a series connection circuit of a large number of elements.

特開平２００３−１７４７８２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-174882

上述のように、半導体モジュールを適用して素子を多数個直列接続する場合、冷却体を分割することで半導体モジュール内部の絶縁耐量を確保することができるが、
（１）冷却体の数が増加する。
（２）冷却体の電圧が対地電位に対して異なる電位を持つため、碍子等によって浮かす必要がある。
などの理由により、構造が複雑化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、冷却体を分割することなく素子の多数個直列接続、または素子の並列，直並列接続や回路の組み立てなどを容易にすることにある。 As described above, when a large number of elements are connected in series by applying a semiconductor module, the dielectric strength inside the semiconductor module can be ensured by dividing the cooling body,
(1) The number of cooling bodies increases.
(2) Since the voltage of the cooling body has a different potential with respect to the ground potential, it needs to be floated by an insulator or the like.
For this reason, there is a problem that the structure becomes complicated.
Therefore, an object of the present invention is to facilitate the series connection of a large number of elements without dividing the cooling body, or the parallel or series-parallel connection of elements, circuit assembly, or the like.

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数個の半導体スイッチモジュールを同一の金属ベース板に設置し、各半導体スイッチモジュールとベース板との間に絶縁材を挿入し、これを１つの半導体スイッチとして冷却体に設置する。この半導体スイッチ上で回路を構成することにより、構造が複雑化しないようにする。また、請求項２の発明では、絶縁材の絶縁耐圧を、半導体スイッチモジュールに内蔵されている全半導体スイッチ素子の素子耐圧の合計電圧を考慮した値に設定することで、あらゆる組み合わせの直・並列接続が可能となり、冷却体も分割する必要がない。 In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, a plurality of semiconductor switch modules are installed on the same metal base plate, and an insulating material is inserted between each semiconductor switch module and the base plate. Is installed in the cooling body as one semiconductor switch. By constructing a circuit on this semiconductor switch, the structure is not complicated. In the invention of claim 2, the dielectric breakdown voltage of the insulating material is set to a value that takes into account the total voltage of the element breakdown voltages of all the semiconductor switch elements incorporated in the semiconductor switch module, so that any combination of series / parallel Connection is possible, and it is not necessary to divide the cooling body.

この発明によれば、冷却体を分割することなく素子の多数個直列接続、または素子の並列，直並列接続や回路の組み立てなどが容易となる。 According to the present invention, it becomes easy to connect a large number of elements in series without dividing the cooling body, or to connect the elements in parallel or series-parallel or to assemble a circuit.

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図、図２は図１の上アームの構造例である。
図１の回路も図５と同じく、素子を４直列接続して構成された２レベルインバータの１相分を示す。ここで、Ｍ１１ａ〜Ｍ２２ａは２素子内蔵の半導体（ここではＩＧＢＴ）モジュール、ＩＢ１ａ〜ＩＢ２ａは絶縁材、Ｂ１ａ〜Ｂ２ａは金属ベース板、ＨＳ１ａは冷却体である。この回路の各アームの構造は、２つの半導体モジュール（例えばＭ１１ａとＭ１２ａ）を同一の金属ベース板（Ｂ１ａ）に設置し、これら半導体モジュールと金属ベース板の間に絶縁材（ＩＢ１ａ）を挟み、１つの半導体スイッチとして用いるようにするものである。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a structural example of the upper arm of FIG.
The circuit of FIG. 1 also shows one phase portion of a two-level inverter configured by connecting four elements in series as in FIG. Here, M11a to M22a are two-element built-in semiconductor (IGBT) modules, IB1a to IB2a are insulating materials, B1a to B2a are metal base plates, and HS1a is a cooling body. The structure of each arm of this circuit is that two semiconductor modules (for example, M11a and M12a) are installed on the same metal base plate (B1a), and an insulating material (IB1a) is sandwiched between these semiconductor modules and the metal base plate. It is intended to be used as a semiconductor switch.

上記のようにするに当り、絶縁材の絶縁耐圧を、モジュールを構成する全半導体スイッチ素子（ここではＱ１１ａ〜Ｑ１４ａまたはＱ２１ａ〜Ｑ２４ａ）の耐圧の合計電圧が印加されることを想定して設定することとする。これにより、半導体スイッチ内において、全素子直列接続することや、その他の接続（並列または直並列接続）が可能である。このとき、冷却体を分割したり、碍子で浮かしたりすることなく接地することができ、回路の簡素化が可能となる。 In the above-described manner, the withstand voltage of the insulating material is set on the assumption that the total voltage of the withstand voltages of all the semiconductor switch elements (here, Q11a to Q14a or Q21a to Q24a) constituting the module is applied. I will do it. Thereby, all the elements can be connected in series in the semiconductor switch, and other connections (parallel or series-parallel connection) are possible. At this time, the cooling body can be grounded without being divided or floated by an insulator, and the circuit can be simplified.

図３，図４に図２の構造を持つ半導体モジュールを用いた回路例を示す。図３は素子４直列接続、図４は２直列２並列接続の例である。このように配線を変更することにより、回路の変更も可能となる。 3 and 4 show circuit examples using the semiconductor module having the structure of FIG. FIG. 3 shows an example of element 4 series connection, and FIG. By changing the wiring in this way, the circuit can be changed.

この発明の実施の形態を示す回路構成図Circuit configuration diagram showing an embodiment of the present invention 図１の１アームの構造例図Structure example of one arm in FIG. 素子を４直列接続する場合の配線図Wiring diagram when 4 elements are connected in series 素子を２直列２並列接続する場合の配線図Wiring diagram for connecting 2 elements in 2 series 従来例を示す回路構成図Circuit configuration diagram showing a conventional example 図５の絶縁材に印加される電圧の説明図Explanatory drawing of the voltage applied to the insulating material of FIG.

Explanation of symbols

Ｅｄ…直流電源、Ｍ１１〜Ｍ２４…ＩＧＢＴモジュール、Ｑ１１〜Ｑ２４…半導体素子（ＩＧＢＴ）、Ｃ１，Ｅ１Ｃ２，Ｅ２…端子、ＩＢ１ａ，ＩＢ２ａ…絶縁材、Ｂ１ａ，Ｂ２ａ…金属ベース板、ＨＳ１ａ…冷却体。 Ed: DC power source, M11 to M24: IGBT module, Q11 to Q24 ... Semiconductor element (IGBT), C1, E1C2, E2 ... Terminal, IB1a, IB2a ... Insulating material, B1a, B2a ... Metal base plate, HS1a ... Cooling body.

Claims

A plurality of semiconductor switch modules constituting a power conversion circuit are installed on one metal base plate for fixing to a cooling body, and the semiconductor switch module and the metal base plate are insulated by an insulating material. A semiconductor switch structure characterized by being used as a switch.

2. The semiconductor switch structure according to claim 1, wherein the dielectric strength of the insulating material is a value that can withstand a total value of rated voltages of all semiconductor switch elements included in the plurality of semiconductor switch modules.