JP2011036017A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】縦型構造で形成された1つの上アーム側パワーデバイス(130)を有した複数の第1ベアチップ(10)を設ける。また、少なくとも1つの素子が形成された1つ又は複数の第2ベアチップ(11)を設ける。これらの第2ベアチップ(11)は、第1ベアチップ(10)上に積層する。そして、第1ベアチップ(10)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体を主材料として形成する。
【選択図】図3
Description
縦型構造で形成された1つのパワーデバイス(130)を有した第1ベアチップ(10)と、
少なくとも1つの素子が形成された1つ又は複数の第2ベアチップ(11)と、
を備え、
前記第2ベアチップ(11)は、前記第1ベアチップ(10)上に積層され、
前記第1ベアチップ(10)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体を主材料としていることを特徴とする電力変換装置である。
第1の発明の電力変換装置において、
それぞれの第2ベアチップ(11)は、リードフレーム(60)を挟んで前記第1ベアチップ(10)上に積層されていることを特徴とする。
第1の発明の電力変換装置において、
基板(20)上に形成され、複数の前記第1ベアチップ(10)を、直接又はヒートスプレッダ(50)を介して搭載し、搭載した第1ベアチップ(10)のパワーデバイス(130)同士を互いに電気的に並列接続する配線部材(41)を備え、
それぞれの第2ベアチップ(11)には、積層相手のパワーデバイス(130)に電気的に直列接続されるパワーデバイス(140)が1つずつ形成されていることを特徴とする。
第3の発明の電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)同士を橋渡しして接続するリードフレーム(80)をさらに備えていることを特徴とする。
第3の発明の電力変換装置において、さらに、
前記基板(20)上に設けられて、直流電源(110)の負側ノード(N)に繋がる負側パターン配線(40)と、
それぞれの第2ベアチップ(11)を前記負側パターン配線(40)に電気的に接続する複数のボンディングワイヤ(70)と、
を備えていることを特徴とする。
第1から第5の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)のチップ面積は、前記第1ベアチップ(10)の面積よりも小さいことを特徴とする。
第1から第6の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第1ベアチップ(10)は、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びダイヤモンドのうちの何れかを主材料としていることを特徴とする。
第1から第7の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体を主材料としていることを特徴とする。
第8の発明の電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)は、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びダイヤモンドのうちの何れかを主材料としていることを特徴とする。
図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置(1)は、交流電源(2)をコンバータ回路(110)によって整流し、その直流をインバータ回路(120)によって三相交流に変換してモータ(3)に供給するものである。このモータ(3)は、例えば、空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。
インバータ回路(120)は、上アームを構成する3つの上アーム側パワーデバイス(130)、下アームを構成する3つの下アーム側パワーデバイス(140)、及び駆動回路(150)を備えている。なお、駆動回路(150)は、図1では記載を省略してある。
本実施形態のパワーデバイス(130,140)は、それぞれのドレイン・ソース間において双方向の電流を許容するいわゆる双方向スイッチング素子である。そして、これらのパワーデバイス(130,140)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体により形成されている。この点については、後に詳述する。
駆動回路(150)は、パワーデバイス(130,140)毎、すなわちベアチップ(10,11)毎に設けられている。それぞれの駆動回路(150)は、対応したパワーデバイス(130,140)のゲート(134,144)に所定の電圧を印加してオンオフを制御するようになっている。この駆動回路(150)もベアチップ(第3ベアチップ(12))として形成されており、その第3ベアチップ(12)内には、複数のトランジスタ等が形成されている。
上記インバータ回路(120)では、6個のパワーデバイス(130,140)の逆導通特性を利用し、同期整流を行うようになっている。図2は、同期整流の基本的な概念を示す図である。同期整流とは、図2に示すように、寄生ダイオード(133,143)に逆方向電流が流れる際に、パワーデバイス(130,140)をオンにし、該パワーデバイス(130,140)側に逆方向電流を流す制御方法である。これにより逆方向電流が流れた際の導通損失を低減できる。
-概要-
本実施形態では、インバータ回路(120)は、絶縁基板(20)上に形成され、コンバータ回路(110)や駆動回路(150)とともに、所定のパッケージ(図示は省略)に収容されてパワーモジュールを構成している。
この例では、負側パターン配線(40)は、平面形状が長方形をしていて、絶縁基板(20)上に1つ設けられている。この負側パターン配線(40)の一端は、コンバータ回路(110)(すなわち直流電源)の負側ノード(N)に接続されている(図4等では接続部分の図示を省略している)。
〈1〉上アーム側パワーデバイス(130)
既述の通り、上アーム側パワーデバイス(130)、すなわち第1ベアチップ(10)は3つ設けられている。それぞれの上アーム側パワーデバイス(130)が、交流の各相(U,V,W)に対応している。これらの上アーム側パワーデバイス(130)は、ヒートスプレッダ(50)を介して正側パターン配線(41)に電気的に接続されている。
リードフレーム(60)は、図3に示すように、側面形状が概ねクランク状に形成された導電性の部材であり、第1ベアチップ(10)毎に設けられている。それぞれのリードフレーム(60)は、その一端が、対応した第1ベアチップ(10)の上面(ヒートスプレッダ(50)とは反対側の面)にある、上アーム側パワーデバイス(130)のソース(132)に半田付けされている。この場合、リードフレーム(60)は、第1ベアチップ(10)の上面に形成されているゲート(134)とは電気的に繋がらないように、ゲート(134)の部分を避けて取り付けられている(図3を参照)。
下アーム側パワーデバイス(140)、すなわち第2ベアチップ(11)は、第1ベアチップ(10)上に積層されている。具体的には、1つの第1ベアチップ(10)に対し、1つの第2ベアチップ(11)が、リードフレーム(60)を挟んで、該第1ベアチップ(10)上に積層されている。より詳しくは、このインバータ回路(120)では、下アーム側パワーデバイス(140)のドレイン(141)側の面がリードフレーム(60)側となるように、第2ベアチップ(11)をリードフレーム(60)に搭載し、該リードフレーム(60)に半田付けしてある。すなわち、下アーム側パワーデバイス(140)のドレイン(141)は、上アーム側パワーデバイス(130)のソース(132)と電気的に直列接続されることになる。なお、第2ベアチップ(11)の上面側には、下アーム側パワーデバイス(140)のソース(142)がある。
グランド側ワイヤ配線(70)は、第2ベアチップ(11)毎に設けられている。そして、それぞれのグランド側ワイヤ配線(70)は、第2ベアチップ(11)の上面側にあるソース(142)と、負側パターン配線(40)とを電気的に接続している。
一般的に半導体素子は、その熱抵抗が小さいほど発生した熱を放熱させやすく、この熱抵抗は、半導体素子を構成する材料の熱伝導率(λ)に反比例する。そのため、例えば、熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体で半導体素子を形成すれば熱抵抗を小さくできて、シリコンを主材料とする半導体素子よりも放熱性が向上するとも考えられる。
上記の点を見出した本願発明者は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)という新たな指標を導入し、その指標がシリコンよりも大きな半導体で、上アーム側及び下アーム側パワーデバイス(130,140)を形成した。
図5は、実施形態の変形例1にかかる電力変換装置の構成を模式的に示す斜視図である。この例では、上記実施形態のようにグランド側ワイヤ配線(70)と負側パターン配線(40)を用いて下アーム側パワーデバイス(140)同士を並列接続する代わりに、リードフレーム(80)を用いて、各下アーム側パワーデバイス(140)のソース(142)同士を並列接続している。このリードフレーム(80)は、例えばボンディングワイヤ(図示は省略)により、コンバータ回路(110)の負側ノード(N)に接続されている。
第1ベアチップ(10)上に積層する素子は、パワーデバイスに限らない。例えば、図6は、実施形態の変形例2に係る電力変換装置の構成を模式的に示す側面図である。この例では、第1ベアチップ(10)の上に、第2ベアチップ(11)として駆動回路(150)を積層している。
〈1〉なお、上記のパワーデバイス(130,140)には、SiCを主材料とした半導体の他にも、窒化ガリウム(GaN)、あるいはダイヤモンド(C)等を主材料とした半導体で形成されたものを用いることが可能である。これらの材料も、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体である。
10 第1ベアチップ
11 第2ベアチップ
20 絶縁基板(基板)
40 負側パターン配線
41 正側パターン配線(配線部材)
50 ヒートスプレッダ
60 リードフレーム
70 グランド側ワイヤ配線(ボンディングワイヤ)
80 リードフレーム
110 コンバータ回路(直流電源)
130 上アーム側パワーデバイス(パワーデバイス)
140 下アーム側パワーデバイス(パワーデバイス)
Claims (9)
- 縦型構造で形成された1つのパワーデバイス(130)を有した第1ベアチップ(10)と、
少なくとも1つの素子が形成された1つ又は複数の第2ベアチップ(11)と、
を備え、
前記第2ベアチップ(11)は、前記第1ベアチップ(10)上に積層され、
前記第1ベアチップ(10)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体を主材料としていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1の電力変換装置において、
それぞれの第2ベアチップ(11)は、リードフレーム(60)を挟んで前記第1ベアチップ(10)上に積層されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1の電力変換装置において、
基板(20)上に形成され、複数の前記第1ベアチップ(10)を、直接又はヒートスプレッダ(50)を介して搭載し、搭載した第1ベアチップ(10)のパワーデバイス(130)同士を互いに電気的に並列接続する配線部材(41)を備え、
それぞれの第2ベアチップ(11)には、積層相手のパワーデバイス(130)に電気的に直列接続されるパワーデバイス(140)が1つずつ形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3の電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)同士を橋渡しして接続するリードフレーム(80)をさらに備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3の電力変換装置において、さらに、
前記基板(20)上に設けられて、直流電源(110)の負側ノード(N)に繋がる負側パターン配線(40)と、
それぞれの第2ベアチップ(11)を前記負側パターン配線(40)に電気的に接続する複数のボンディングワイヤ(70)と、
を備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項5のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)のチップ面積は、前記第1ベアチップ(10)の面積よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項6のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第1ベアチップ(10)は、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びダイヤモンドのうちの何れかを主材料としていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項7のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)は、絶縁破壊電界(Eb)×熱伝導率(λ)の値が、シリコンよりも大きな半導体を主材料としていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項8の電力変換装置において、
前記第2ベアチップ(11)は、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びダイヤモンドのうちの何れかを主材料としていることを特徴とする電力変換装置。
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