JP2009148077A - 電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】並列接続してもゲート特性に与える影響は少なく、損失が増大することのない電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器を提供する。
【解決手段】複数個の電圧駆動型半導体チップ１０と、電圧駆動型半導体チップ１０のコレクタ同士を接続するコレクタ接続導体１２に接続された主回路用コレクタ端子２と、電圧駆動型半導体チップ１０のエミッタ同士を接続するエミッタ接続導体１５に接続された主回路用エミッタ端子３と、電圧駆動型半導体チップ１０のゲートセル１６の各々と夫々チップ抵抗１７を介して接続されたゲート用ゲート端子４と、電圧駆動型半導体チップ１０のエミッタ１３と接続された第１のゲート用エミッタ端子５と、主回路用エミッタ端子３と専用の接続導体１８によって接続された第２のゲート用エミッタ端子６とによって電圧駆動型半導体モジュール１を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器に係り、特に並列接続の適用に適した電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器に関する。

近年の電力用変換装置は大容量化が進んでおり、その１つに変換装置の電流の大容量化がある。電流の大容量化を行うためには、代表的な電圧駆動型半導体素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールを多並列にして電力用変換装置に用いられる電力変換器を構成することが多い。

従来のＩＧＢＴモジュールの端子構成は、主回路通電のための主回路用コレクタ端子及び主回路用エミッタ端子、並びにゲート通電のためのゲート端子及びゲート用エミッタ端子の４端子構成となっている（例えば特許文献１参照。）。

このような４端子構成のＩＧＢＴモジュールを並列接続して電力変換器に適用した場合、ＩＧＢＴモジュール間でスイッチングオフ時に主回路用エミッタ端子とゲート用エミッタ端子間に生じる誘起電圧に差が生じ、そのためゲート配線を介して循環電流が生じ、ＩＧＢＴモジュール間の電流バランスが悪化するという問題があった。

この循環電流を抑制する対策として、ゲート電源から見て各ＩＧＢＴモジュールのゲート用エミッタ端子側に循環電流低減用の抵抗を接続する提案が為されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−２２９６７１号公報（全体） 特開２０００−４０９４８号公報（第２−３頁、図１）

上記特許文献１に記された手法によれば、循環電流低減用の抵抗によって循環電流を低減することは可能であるが、循環電流が電流バランスに影響を与えない程度とするためには相当量の抵抗を接続する必要がある。このため、ゲート特性が悪化するばかりではなく損失も増大する。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、並列接続してもゲート特性に与える影響は少なく、損失が増大することのない電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電圧駆動型半導体モジュールは、複数個の電圧駆動型半導体チップと、前記電圧駆動型半導体チップのコレクタ同士を接続するコレクタ接続導体に接続された主回路用コレクタ端子と、前記電圧駆動型半導体チップのエミッタ同士を接続するエミッタ接続導体に接続された主回路用エミッタ端子と、前記電圧駆動型半導体チップのゲートセルの各々と夫々チップ抵抗を介して接続されたゲート用ゲート端子と、前記電圧駆動型半導体チップのエミッタと接続された第１のゲート用エミッタ端子と、前記主回路用エミッタ端子と専用の接続導体によって接続された第２のゲート用エミッタ端子と具備したことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電力変換器は、並列接続された複数個の本発明の第１の発明である電圧駆動型半導体モジュールと、前記電圧駆動型半導体モジュール用のゲート駆動回路とを具備し、前記ゲート駆動回路は、前記電圧駆動型半導体モジュールの主回路用エミッタ端子と第２のゲート用エミッタ端子との間にゲート電圧を印加するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、並列接続してもゲート特性に与える影響は少なく、損失が増大することのない電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器を提供することが可能となる。

以下、本発明の電圧駆動型半導体モジュール及びこれを用いた電力変換器を図１乃至図５を参照して説明する。

図１は本発明の電圧駆動型半導体モジュールの一実施例を示す内部回路構成図である。図１において、IＧＢＴモジュール１は、主回路接続用コレクタ端子２と主回路接続用エミッタ端子３に主回路電圧が印加され、ゲート用ゲート端子４と第１のゲート用エミッタ端子５間、またはゲート用ゲート端子４と第２のゲート用エミッタ端子６間に与えられるゲートパルスによって主回路電流がオンオフ制御される。

図２に本発明の電圧駆動型半導体モジュールの模式構造図を示す。この模式構造図は厚板状に形成されたＩＧＢＴモジュールを平面から見た断面図となっている。そして、この図２においては、ＩＧＢＴモジュール１の内部素子としてＩＧＢＴチップ１０ａ及び１０ｂが並列に接続され、更にフライホイールダイオードチップ１１がこれらのＩＧＢＴチップと逆並列に接続されている例を示している。

ＩＧＢＴチップ１０ａ及び１０ｂのコレクタ面並びにフライホイールダイオードチップ１１のカソード面は、主回路接続用コレクタ端子２に接続されたコレクタ導体１２に電気的に接続され、また機械的に固定されている。そしてＩＧＢＴチップ１０ａ及び１０ｂの複数個に分割されたエミッタセル１３ａ、１３ｂ並びにフライホイールダイオードチップ１１のアノード面１４は、主回路接続用エミッタ端子３に接続されたエミッタ導体１５に各々ワイヤーボンディングによって電気的に接続されている。

ＩＧＢＴチップ１０ａ及び１０ｂのゲートセル１６ａ、１６ｂは夫々ゲート用ゲート端子４に接続されたゲート導体にマウントされたチップ抵抗１７ａ、１７ｂとワイヤーボンディングによって接続されている。また、第１のゲート用エミッタ端子５は導体を介してＩＧＢＴチップ１０ａの複数個のエミッタセル１３ａのうちの一つとワイヤーボンディングによって接続されており、第２のゲート用エミッタ端子６は導体１８を介して主回路接続用エミッタ端子３に接続されている。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の電圧駆動型半導体モジュールの動作の詳細について説明する。

図３は第１のゲート用エミッタ端子を用いて２台の電圧駆動型半導体モジュールを並列駆動する場合の回路構成図である。

図３において、ＩＧＢＴモジュール１Ａ及び１Ｂは導体９によって並列接続されている。即ち、主回路接続用コレクタ端子２Ａと２Ｂ、主回路接続用エミッタ端子３Ａと３Ｂが夫々導体９によって接続されている。ゲート駆動回路７から与えられる共通のゲート信号は、ゲート配線８Ａを介してＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート用エミッタ端子５Ａ及びゲート用ゲート端子４Ａ間に、またゲート配線８Ｂを介してＩＧＢＴモジュール１Ｂのゲート用エミッタ端子５ＢＡ及びゲート用ゲート端子４Ｂ間に夫々供給される。ゲート配線８Ａ、８Ｂのエミッタ側にはゲート配線エミッタ側インダクタンス成分１９Ａ、１９Ｂが夫々存在し、また、ＩＧＢＴモジュール１Ａ及び１Ｂの主回路のエミッタ側にはモジュール内エミッタインダクタンス成分２０Ａ、２０Ｂが夫々存在する。このモジュール内エミッタインダクタンス成分は、図２におけるＩＧＢＴモジュール１内のＩＧＢＴチップ１０ａ及び１０ｂのエミッタセル１３ａ及び１３ｂとエミッタ導体１５を接続するボンディングワイヤーのインダクタンス成分とエミッタ導体１５のインダクタンス成分の合計値に相当する。

以上説明した図３の回路構成において、ＩＧＢＴモジュール１Ａ、１Ｂに流れる素子電流の変化が小さい時には、ＩＧＢＴモジュール１Ａ内の主回路接続用エミッタ端子３Ａとゲート用エミッタ端子５Ａ、ＩＧＢＴモジュール１Ｂ内の主回路接続用エミッタ端子３Ｂとゲート用エミッタ端子５Ｂはほぼ同電位であり、またゲート用エミッタ端子５Ａと５Ｂもほぼ同電位である。

しかし、スイッチング時やアーム短絡時のように過渡的な電流がＩＧＢＴモジュール１Ａ及び１Ｂに流れるときには、上記部位の電位が異なる場合がある。

ＩＧＢＴモジュール１Ａに流れる電流をＩc（１Ａ）、ＩＧＢＴモジュール１Ｂに流れる電流をＩc（１Ｂ）とする。図３においては例として、ＩＧＢＴターンオンスイッチング時の電圧，電流方向を矢印で示す。過渡時に両者の電流変化率ｄＩｃ（１Ａ）／ｄｔとｄＩｃ（１Ｂ）／ｄｔが両者の過渡特性のばらつきにより異なると、ＩＧＢＴモジュール１Ａ、１Ｂのモジュール内エミッタインダクタンス成分２０Ａ、２０Ｂは夫々、
Ｖｅ（１Ａ）＝Ｌｅ（１Ａ）×ｄＩｃ（１Ａ）／ｄｔ・・・（１）
Ｖｅ（１Ｂ）＝Ｌｅ（１Ｂ）×ｄＩｃ（１Ｂ）／ｄｔ・・・（２）
の電圧を発生する。ここでＬｅ（１Ａ）、Ｌｅ（１Ｂ）は夫々モジュール内エミッタインダクタンス成分１９Ａ、１９Ｂのインダクタンス値である。

このようにＶｅ（１Ａ）≠Ｖｅ（１Ｂ）となり、両者の電圧差により図３に破線で示したループに従って循環電流Ｉｅｕが流れる。尚図３の循環電流ＩｅｕはＶｅ（１Ａ）＞Ｖｅ（１Ｂ）の場合を示している。

この循環電流Ｉｅｕによってゲート配線エミッタ側インダクタンス成分１９Ａ及び１９Ｂは夫々、
Ｖｅｇ（１Ａ）＝Ｌｅｇ（１Ａ）×ｄＩｅｕ／ｄｔ・・・（３）
Ｖｅｇ（１Ｂ）＝Ｌｅｇ（１Ｂ）×ｄＩｅｕ／ｄｔ・・・（４）
の電圧を発生する。ここでＬｅｇ（１Ａ）、Ｌｅｇ（１Ｂ）は夫々ゲート配線エミッタ側インダクタンス成分１９Ａ、１９Ｂのインダクタンス値である。

Ｖｅｇ（１Ａ）はＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート電圧Ｖｇｅ（１Ａ)を上昇させる方向に、逆にＶｅｇ(１Ｂ)はＩＧＢＴモジュール１Ｂのゲート電圧Ｖｇｅ（１Ｂ)を低下させる方向に作用する。即ち、ＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート電圧Ｖｇｅ（１Ａ)は上昇するため素子電流Ｉｃ（１Ａ)は増加する方向、逆にＩＧＢＴモジュール１Ｂのゲート電圧Ｖｅｇ(１Ｂ)は低下するため素子電流Ｉｃ（１Ｂ)は低下する方向となる。これにより、もともとＶｅ（１Ａ）＞Ｖｅ（１Ｂ）であったＩＧＢＴ過渡時の電流アンバランスが益々悪化する方向に進む。過渡時の電流アンバランスが悪化するので、ＩＧＢＴの損失もアンバランスとなる。そして最悪の場合、複数のＩＧＢＴモジュールを並列接続した構成において、過渡時に１個のＩＧＢＴモジュールに素子電流が集中し、このＩＧＢＴモジュールの損失が許容値を超えてしまい破損に至る恐れがある。

以上説明したように、図３に示した構成例では、ＩＧＢＴモジュールの過渡特性のばらつきによる過渡時のＩＧＢＴモジュール間の素子電流のアンバランスが、ＩＧＢＴチップ上エミッタセルと主回路接続用エミッタ端子間のモジュール内エミッタインダクタンス成分により、更にアンバランスが悪化する方向に助長されてしまうことになる。

図４は第２のゲート用エミッタ端子を用いて２台の電圧駆動型半導体モジュールを並列駆動する場合の回路構成図である。この図４の回路構成図について、図３の回路構成図と同一部分は同一符号を付しその説明を省略する。この図４においては、ゲート駆動回路７からＩＧＢＴモジュール１Ａ、１Ｂへ向かうゲート配線８Ａ、８Ｂの夫々の負側は第２のゲート用エミッタ端子６Ａ、６Ｂに夫々接続されている。そしてゲート用エミッタ端子５Ａ、５Ｂは共に使用しない。

この図４において、図３の場合と同様、ＩＧＢＴ１Ａ及び１Ｂが同時にターンオンスイッチングを行ったときを考える。過渡時にＩＧＢＴ１Ａ及び１Ｂの夫々の電流変化率ｄＩｃ（１Ａ）／ｄｔ、ｄＩｃ（１Ｂ）／ｄｔが両者の過渡特性のばらつきによって異なると、モジュール内エミッタインダクタンス成分２０Ａ、２０Ｂに発生する電圧は夫々上述したとおり（１）式及び（２）式となる。

この結果、Ｖｅ（１Ａ）≠Ｖｅ（１Ｂ）となるが、ゲート駆動回路７からのゲート用エミッタ（負極）の接続はＩＧＢＴモジュール１Ａ、１Ｂ共に第２のゲート用エミッタ端子６Ａ、６Ｂであり、基本的に同電位であるので、図３に示したようなゲート用エミッタ間での循環電流は流れない。

また、電圧Ｖｅ（１Ａ）、Ｖｅ（１Ｂ）は、夫々ＩＧＢＴモジュール１Ａ、１Ｂのゲート電圧Ｖｇｅ（１Ａ）、Ｖｇｅ（１Ｂ）を低下させる方向に働くが、例としてｄＩｃ（１Ａ）／ｄｔ＞ｄＩｃ（１Ｂ）／ｄｔでＶｅ（１Ａ）＞Ｖｅ（１Ｂ）の場合を考えると、Ｖｅ（１Ａ）がＶｇｅ（１Ａ）を低下させる量はＶｅ（１Ｂ）がＶｇｅ（１Ｂ）を低下させる量より大きくなる。従ってＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート電圧がＩＧＢＴモジュール１Ｂのゲート電圧より低下する方向となり、素子電流Ｉｃ（１Ａ）は素子電流Ｉｃ（１Ｂ）とバランスする方向となる。これにより、ＩＧＢＴ過渡時の電流バランスは改善する方向に進む。

以上述べたように、ＩＧＢＴモジュールを複数台並列の電力変換器に適用する場合には、ゲート駆動回路の負極を第２のゲート用エミッタ端子に接続することによって過渡時の電流バランスを改善することができる。

ＩＧＢＴモジュールを単体で使用する場合は、通常はゲート駆動回路の負極を第１のゲート用エミッタ端子に接続する。これは、電流バランスが問題ない適用の場合には、ＩＧＢＴモジュール内のエミッタインダクタンス成分１９Ａあるいは１９Ｂによる影響を避ける方が得策であるためである。この影響とは、例えばスイッチングオン時のゲート電圧低下によるターンオン時間の増大による損失の増大などが考えられる。

上記に拘らず、ＩＧＢＴモジュールを単体で使用する場合、ゲート電源の負極を第２のゲート用エミッタ端子に接続しても良い。これは、ＩＧＢＴモジュール内のＩＧＢＴチップ間の電流バランスが問題となる場合に適用される。即ち、図３を参照して説明した電流バランスの問題は、図２におけるＩＧＢＴチップ１０ａと１０ｂの電流バランスの問題にそのまま適用可能であるためである。

尚、図４において、例えばＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート用ゲート端子４Ａと第２のゲート用エミッタ端子６Ａの物理的距離は近接していることが配線作業上また耐ノイズ特性上好ましい。この近接の度合いは、例えば前記の物理的距離をＩＧＢＴモジュール１Ａのゲート用ゲート端子４Ａと第１のゲート用エミッタ端子５Ａの物理的距離の数倍以下とする。

図５は本発明の電圧駆動型半導体モジュールを用いた電力変換器の回路構成図の一例である。電力変換器３０は直流を入力として３相交流を出力するブリッジ接続型のインバータであり、図示するようにＵ相上アームはＩＧＢＴモジュール１ＵＰ１と１ＵＰ２が並列接続されている。同様に、Ｕ相下アームはＩＧＢＴモジュール１ＵＮ１と１ＵＮ２が、Ｖ相上アームはＩＧＢＴモジュール１ＶＰ１と１ＶＰ２が、Ｖ相下アームはＩＧＢＴモジュール１ＵＮ１と１ＵＮ２が、Ｗ相上アームはＩＧＢＴモジュール１ＷＰ１と１ＷＰ２が、そしてＷ相下アームはＩＧＢＴモジュール１ＷＮ１と１ＷＮＰ２が夫々並列接続されている。

これらのＩＧＢＴモジュールの図示しないゲート駆動回路の接続は、図４に示したように、ゲート配線の負側がＩＧＢＴモジュールの第２のゲート用エミッタ端子に接続されるようにする。このようにすれば、図４を参照して説明したように、電力変換器３０において互いに並列接続されたＩＧＢＴモジュールの電流バランスは改善されることになる。

本発明の電圧駆動型半導体モジュールの一実施例を示す内部回路構成図。 本発明の電圧駆動型半導体モジュールの模式構造図。 第１のゲート用エミッタ端子を用いて２台の電圧駆動型半導体モジュールを並列駆動する場合の回路構成図。 第２のゲート用エミッタ端子を用いて２台の電圧駆動型半導体モジュールを並列駆動する場合の回路構成図。 本発明の電圧駆動型半導体モジュールを用いた電力変換器の回路構成図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１ＵＰ１、・・・、１ＷＮ２ ＩＧＢＴモジュール
２ 主回路接続用コレクタ端子
３ 主回路接続用エミッタ端子
４ ゲート用ゲート端子
５ 第１のゲート用エミッタ端子
６ 第２のゲート用エミッタ端子
７ ゲート駆動回路
８Ａ、８Ｂ ゲート配線
９ 導体
１０ａ、１０ｂ ＩＧＢＴチップ
１１ フライホイールダイオードチップ
１２ コレクタ導体
１３ａ、１３ｂ エミッタセル
１４ アノード面
１５ エミッタ導体
１６ａ、１６ｂ ゲートセル
１７ａ、１７ｂ チップ抵抗
１８ 導体
１９ａ、１９ｂ ゲート配線エミッタ側インダクタンス成分
２０ａ、２０Ｂ モジュール内エミッタインダクタンス成分

３０ 電力変換器

Claims (4)

1. 複数個の電圧駆動型半導体チップと、
   前記電圧駆動型半導体チップのコレクタ同士を接続するコレクタ接続導体に接続された主回路用コレクタ端子と、
   前記電圧駆動型半導体チップのエミッタ同士を接続するエミッタ接続導体に接続された主回路用エミッタ端子と、
   前記電圧駆動型半導体チップのゲートセルの各々と夫々チップ抵抗を介して接続されたゲート用ゲート端子と、
   前記電圧駆動型半導体チップのエミッタと接続された第１のゲート用エミッタ端子と、
   前記主回路用エミッタ端子と専用の接続導体によって接続された第２のゲート用エミッタ端子と
   を具備した電圧駆動型半導体モジュール。
2. アノードが前記エミッタ接続導体に接続され、カソードが前記コレクタ接続導体に接続されたダイオードチップを更に備えた請求項１に記載の電圧駆動型半導体モジュール。
3. 前記電圧駆動型半導体チップのエミッタは複数個のエミッタセルより構成され、
   前記第１のゲート用エミッタ端子は、
   前記複数個の電圧駆動型半導体チップのうちの１つの電圧駆動型半導体チップの前記複数個のエミッタセルのうちの１つに接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧駆動型半導体モジュール。
4. 並列接続された複数個の請求項１に記載の電圧駆動型半導体モジュールと、
   前記電圧駆動型半導体モジュール用のゲート駆動回路と
   を具備し、
   前記ゲート駆動回路は、
   前記電圧駆動型半導体モジュールの主回路用エミッタ端子と第２のゲート用エミッタ端子との間にゲート電圧を印加するようにしたことを特徴とする電力変換器。

Images