JP2014007189A - Semiconductor power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体パワーモジュールに関し、特にノーマリオンデバイスを用いた半導体パワーモジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor power module, and more particularly to a semiconductor power module using a normally-on device.
近年、エアコンや冷蔵庫等においては、インバータ制御により制御負荷に応じてモータの回転数を制御することにより消費電力の効率化が行われている。インバータ回路内には駆動素子として、複数のパワー半導体素子とそれを駆動するコントロールIC(1つまたは複数)とを組み合せて、1個の装置に組み込んだインテリジェントパワーモジュール(以下、IPMという)が使用されるようになってきている。従来のIPMでは、ノーマリオフタイプのパワー半導体素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が主に用いられており、これらIGBTを制御するコントロールICを別基板で構成することが行われている。 In recent years, in air conditioners, refrigerators, and the like, power consumption has been improved by controlling the number of rotations of a motor according to a control load by inverter control. In the inverter circuit, an intelligent power module (hereinafter referred to as IPM) is used as a drive element, which is a combination of a plurality of power semiconductor elements and a control IC (one or more) that drives the power semiconductor elements. It has come to be. In the conventional IPM, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mainly used as a normally-off type power semiconductor element, and a control IC for controlling the IGBT is formed on a separate substrate.
図3は、特許文献1(特開2000−133768号公報)に記載の従来のIPMにおける回路基板の平面図である。図4は、特許文献1に記載の半導体パワーモジュールにおける回路図である。
FIG. 3 is a plan view of a circuit board in a conventional IPM described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-133768). FIG. 4 is a circuit diagram of the semiconductor power module described in
図3および図4において、パワー半導体素子103としてIGBT1〜IGBT6が設けられ、これらにダイオード素子D1〜D6が逆並列に接続される。
3 and 4, IGBT1 to IGBT6 are provided as
制御回路部102から片側に制御用リード107が引き出され、制御回路部102にコントロールIC105が搭載されている。制御用リード107とは反対側に分離溝Sを介して主回路部101が設けられている。主回路部101に対して制御回路部102とは反対側に電力用リード106が設けられている。
A
ハイサイド側のIGBT1〜IGBT3は逆並列に接続されたダイオード素子D1〜D3と並列に並べられて、端子Pと接続された主回路部101に載置されている。ロウサイド側のIGBT4〜IGBT6は、逆並列に接続されたダイオード素子D4〜D6のそれぞれと1組にされて、それぞれ別の主回路基板に載置されている。
The high-
しかしながら、特許文献1に記載の半導体パワーモジュールでは、Si(シリコン)系パワーデバイスであり、耐圧、低オン抵抗、高温動作といった物理的特徴を有さないという問題がある。
However, the semiconductor power module described in
それゆえに、本発明の目的は、耐圧、低オン抵抗、高温動作の物理的特徴を有する半導体パワーモジュールを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor power module having physical characteristics of withstand voltage, low on-resistance, and high-temperature operation.
上記課題を解決するために、本発明の半導体パワーモジュールは、第1の電圧端子に接続された、ノーマリオン型のハイサイド側パワー半導体素子と、ハイサイド側パワー半導体素子と直列に接続された、ノーマリオン型のロウサイド側パワー半導体素子と、第2の電圧端子とロウサイド側パワー半導体素子との間に設けられた、短絡防止用のノーマリオフ型のMOSトランジスタと、ハイサイド側およびロウサイド側パワー半導体素子のスイッチングを制御する制御ICと、ロウサイド側パワー半導体素子のソースとMOSトランジスタのドレインを直接電気的に接続するための第1の金属パターンとを備える。
好ましくは、ロウサイド側半導体素子は、横型デバイスであり、MOSトランジスタは縦型デバイスである。
In order to solve the above problems, a semiconductor power module of the present invention is connected to a first voltage terminal, a normally-on type high-side power semiconductor element, and a high-side power semiconductor element connected in series. A normally-on type low-side power semiconductor element, a normally-off type MOS transistor for preventing a short circuit provided between the second voltage terminal and the low-side power semiconductor element, and a high-side and low-side power semiconductor A control IC for controlling switching of the element, and a first metal pattern for directly electrically connecting the source of the low-side power semiconductor element and the drain of the MOS transistor are provided.
Preferably, the low side semiconductor element is a horizontal device, and the MOS transistor is a vertical device.
好ましくは、ハイサイド側パワー半導体素子に逆並列接続されたハイサイド側ダイオードと、ロウサイド側パワー半導体素子に逆並列接続されたロウサイド側ダイオードとを備える。 Preferably, a high-side diode connected in reverse parallel to the high-side power semiconductor element and a low-side diode connected in reverse parallel to the low-side power semiconductor element are provided.
好ましくは、ロウサイド側パワー半導体素子が載置される第1の金属パターンと、ロウサイド側ダイオードが載置される第4の金属パターンとが分離され、ハイサイド側パワー半導体素子が載置される第2の金属パターンと、ハイサイド側ダイオードが載置される第3の金属パターンとが分離される。 Preferably, the first metal pattern on which the low-side power semiconductor element is placed and the fourth metal pattern on which the low-side diode is placed are separated, and the first metal pattern on which the high-side power semiconductor element is placed. The second metal pattern is separated from the third metal pattern on which the high-side diode is placed.
好ましくは、制御ICは、制御用基板上に載置され、制御用基板がフレキシブルプリント基板である。 Preferably, the control IC is mounted on a control board, and the control board is a flexible printed board.
好ましくは、ハイサイド側およびロウサイド側パワー半導体素子は、電力用基板上に載置され、電力用基板がDCB(Direct Copper Bonding)基板である。 Preferably, the high-side and low-side power semiconductor elements are placed on a power substrate, and the power substrate is a DCB (Direct Copper Bonding) substrate.
好ましくは、パワー半導体素子は、ノーマリオン型のGaN系デバイスからなる。
本発明の半導体パワーモジュールは、第1の電圧端子に接続された、ノーマリオン型の第1〜第3のハイサイド側パワー半導体素子と、第1〜第3のハイサイド側パワー半導体素子とそれぞれ直列に接続された、ノーマリオン型の第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子と、第2の電圧端子と第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子との間に設けられた、短絡防止用のノーマリオフ型のMOSトランジスタと、第1〜第3のハイサイド側のスイッチングを制御するハイサイド用制御集積回路と、第1〜第3のロウサイド側のスイッチングを制御するロウサイド用制御集積回路と、第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子のソースとMOSトランジスタのドレインを直接電気的に接続するための第1の金属パターンとを備える。
Preferably, the power semiconductor element is a normally-on type GaN-based device.
The semiconductor power module of the present invention includes a normally-on type first to third high-side power semiconductor element connected to a first voltage terminal, first to third high-side power semiconductor elements, and Short circuit prevention provided between the normally-on type first to third low-side power semiconductor elements connected in series, the second voltage terminal, and the first to third low-side power semiconductor elements. Normally-off type MOS transistor, a high-side control integrated circuit for controlling the first to third high-side switching, and a low-side control integrated circuit for controlling the first to third low-side switching And a first metal pattern for directly electrically connecting the sources of the first to third low-side power semiconductor elements and the drain of the MOS transistor.
本発明の半導体パワーモジュールは、耐圧、低オン抵抗、高温動作の物理的特徴を有する。 The semiconductor power module of the present invention has physical characteristics of withstand voltage, low on-resistance, and high-temperature operation.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
近年シリコン半導体からなるパワー素子を超える性能として期待されるワイドバンドギャップ半導体が注目されている。ワイドバンドギャップ半導体は、高耐圧、低オン抵抗、高温動作などの物理的特徴を持つ。このようなワイドバンドギャップ半導体の中でも、GaN系FET(Field Effect Transistor)は、高い絶縁耐圧と高温動作に耐えうり、ヘテロ接合による低いオン抵抗の実現を可能にしつつある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In recent years, wide band gap semiconductors that are expected to have performance exceeding that of power elements made of silicon semiconductors have attracted attention. Wide band gap semiconductors have physical characteristics such as high breakdown voltage, low on-resistance, and high temperature operation. Among such wide bandgap semiconductors, GaN-based FETs (Field Effect Transistors) are able to withstand high withstand voltage and high-temperature operation, and enable realization of low on-resistance by heterojunction.
AlGaN/GaN(窒化アルミニウムガリウム/窒化ガリウム)のヘテロ接合を利用したGaN系HFET(Hetero Field Effect Transistor)では、ヘテロ接合界面に自発分極並びにピエゾ効果による二次元電子ガスを容易に生成でき、高い電子移動度と相まって、高速かつ大電流素子のパワーデバイスを得ることができる。 A GaN-based HFET (Hetero Field Effect Transistor) using a heterojunction of AlGaN / GaN (aluminum gallium nitride / gallium nitride) can easily generate a two-dimensional electron gas due to spontaneous polarization and piezo effect at the heterojunction interface. Coupled with mobility, a high-speed and high-current element power device can be obtained.
また、二次元電子ガスを用いたHFETでは、ノーマリオンデバイスは比較的容易に低コストで作製できるのに対して、ノーマリオフデバイスでは、高コストでかつ、閾値電圧も2V程度と低いものしかできていない。本出願では、ノーマリオンデバイスを用いたパワーモジュールにおいて、低コストで信頼性の高いモジュールを提供することを目的とする。 In addition, in a HFET using a two-dimensional electron gas, a normally-on device can be manufactured relatively easily and at a low cost, whereas a normally-off device has a high cost and a threshold voltage of only about 2V. Absent. An object of the present application is to provide a low-cost and highly reliable module in a power module using a normally-on device.
図1は、本発明の実施形態の半導体パワーモジュールにおける回路基板の平面図である。図2は、本発明の実施形態の半導体パワーモジュールにおける回路図である。 FIG. 1 is a plan view of a circuit board in a semiconductor power module according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram of the semiconductor power module according to the embodiment of the present invention.
図1および図2を参照して、半導体パワーモジュール100は、DCB基板(Direct Copper Bonding:セラミック基板)1と、制御用基板2とを備える。
Referring to FIGS. 1 and 2, a
DCB基板1は、電力用基板として、低熱抵抗、高絶縁耐圧、および放熱性に優れた特性を有する。DCB基板1の表面には銅箔を代表材料とする金属パターン3a〜3hで回路パターンが形成されている。ここで、金属パターン3dを第1の金属パターン、金属パターン3a/3b/3cを第2の金属パターン、金属パターン3eを第3の金属パターン、金属パターン3f/3g/3hを第4の金属パターンとも定義する。DCB基板1上の金属パターンの上に、パワートランジスタFET1〜FET6、ダイオードD1〜D6および短絡防止用MOSトランジスタ10が設けられる。
As a power substrate, the
制御用基板2には、 ハイサイド用制御集積回路IC1と、ロウサイド用制御集積回路IC2が設けられる。制御用基板2は、フレキシブルプリント基板である。半導体パワーモジュールの電流容量をラインアップする場合、パワー半導体装置の変更に伴いゲートドライブ電流を変更する必要がある。制御用基板2がフレシキブルプリント基板で構成されているので、ハイサイド用制御集積回路IC1およびロウサイド用制御集積回路IC2を変更することなしにゲートドライブ回路および回路定数の変更が容易となる。
The
制御用リード4および電力用リード5は、この半導体パワーモジュールの外部と接続される。
The
パワートランジスタFET1〜FET6は、ヘテロ接合を利用したGaN系HFETであり、電流が横方向に流れる横型のノーマリオンデバイスである。 The power transistors FET1 to FET6 are GaN-based HFETs using heterojunctions and are laterally normally on devices in which current flows in the lateral direction.
ダイオードD1〜D6は、パワートランジスタFET1〜FET6に逆並列に接続されたファーストリカバリーダイオード素子である。ここでダイオードD1〜D3をハイサイド側ダイオード、ダイオードD4〜D6をロウサイド側ダイオードとして説明する。また、パワートランジスタFET1〜FET3をハイサイド側パワー半導体素子、パワートランジスタFET4〜FET6をロウサイド側パワー半導体素子として説明する。 The diodes D1 to D6 are fast recovery diode elements connected in antiparallel to the power transistors FET1 to FET6. Here, the diodes D1 to D3 are described as high-side diodes, and the diodes D4 to D6 are described as low-side diodes. The power transistors FET1 to FET3 will be described as high-side power semiconductor elements, and the power transistors FET4 to FET6 will be described as low-side power semiconductor elements.
短絡防止用MOSトランジスタ10は、アーム短絡防止用のノーマリオフ型デバイスであり、電流が縦方向(基板に垂直方向)に流れる縦型のMOSトランジスタである。
The short-circuit
入力電圧端子Pと入力電圧端子N(たとえばグランド端子)との間に、パワートランジスタFET1とパワートランジスタFET4とMOSトランジスタ10とが直列に接続される。入力電圧端子Pと入力電圧端子Nとの間に、パワートランジスタFET2とパワートランジスタFET5とMOSトランジスタ10とが直列に接続される。入力電圧端子Pと入力電圧端子Nとの間に、パワートランジスタFET3とパワートランジスタFET6とMOSトランジスタ10とが直列に接続される。
A power transistor FET1, a power transistor FET4, and a
パワートランジスタFET1とダイオードD1とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET1のドレインとダイオードD1のカソードが接続され、パワートランジスタFET1のソースとダイオードD1のアノードが接続される。パワートランジスタFET1のドレインは、電力用リード5の入力電圧端子Pと接続される。パワートランジスタFET1のソースは、電力用リード5の出力端子Uと接続される。
In order to connect the power transistor FET1 and the diode D1 in antiparallel, the drain of the power transistor FET1 and the cathode of the diode D1 are connected, and the source of the power transistor FET1 and the anode of the diode D1 are connected. The drain of the
パワートランジスタFET2とダイオードD2とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET2のドレインとダイオードD2のカソードが接続され、パワートランジスタFET2のソースとダイオードD2のアノードが接続される。パワートランジスタFET2のドレインは、電力用リード5の入力電圧端子Pと接続される。パワートランジスタFET2のソースは、電力用リード5の出力端子Vと接続される。
In order to connect the power transistor FET2 and the diode D2 in antiparallel, the drain of the power transistor FET2 and the cathode of the diode D2 are connected, and the source of the power transistor FET2 and the anode of the diode D2 are connected. The drain of the
パワートランジスタFET3とダイオードD3とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET3のドレインとダイオードD3のカソードが接続され、パワートランジスタFET3のソースとダイオードD3のアノードが接続される。パワートランジスタFET3のドレインは、電力用リード5の入力電圧端子Pと接続される。パワートランジスタFET3のソースは、電力用リード5の出力端子Wと接続される。 In order to connect the power transistor FET3 and the diode D3 in antiparallel, the drain of the power transistor FET3 and the cathode of the diode D3 are connected, and the source of the power transistor FET3 and the anode of the diode D3 are connected. The drain of the power transistor FET 3 is connected to the input voltage terminal P of the power lead 5. The source of the power transistor FET 3 is connected to the output terminal W of the power lead 5.
パワートランジスタFET4とダイオードD4とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET4のドレインとダイオードD4のカソードが接続され、パワートランジスタFET4のソースとダイオードD4のアノードが接続される。パワートランジスタFET4のソースは、短絡防止用MOSトランジスタ10のドレインと直接接続される。パワートランジスタFET4のドレインは、電力用リード5の出力端子Uと接続される。
In order to connect the power transistor FET4 and the diode D4 in antiparallel, the drain of the power transistor FET4 and the cathode of the diode D4 are connected, and the source of the power transistor FET4 and the anode of the diode D4 are connected. The source of the power transistor FET4 is directly connected to the drain of the short-circuit preventing
パワートランジスタFET5とダイオードD5とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET5のドレインとダイオードD5のカソードが接続され、パワートランジスタFET5のソースとダイオードD5のアノードが接続される。パワートランジスタFET5のソースは、短絡防止用MOSトランジスタ10のドレインと直接接続される。パワートランジスタFET5のドレインは、電力用リード5の出力端子Vと接続される。
In order to connect the power transistor FET5 and the diode D5 in antiparallel, the drain of the power transistor FET5 and the cathode of the diode D5 are connected, and the source of the power transistor FET5 and the anode of the diode D5 are connected. The source of the power transistor FET5 is directly connected to the drain of the short-circuit preventing
パワートランジスタFET6とダイオードD65とが逆並列に接続されるようにするために、パワートランジスタFET6のドレインとダイオードD6のカソードが接続され、パワートランジスタFET6のソースとダイオードD6のアノードが接続される。パワートランジスタFET6のソースは、短絡防止用MOSトランジスタ10のドレインと直接接続される。パワートランジスタFET6のドレインは、電力用リード5の出力端子Wと接続される。
In order to connect the power transistor FET6 and the diode D65 in antiparallel, the drain of the power transistor FET6 and the cathode of the diode D6 are connected, and the source of the power transistor FET6 and the anode of the diode D6 are connected. The source of the power transistor FET 6 is directly connected to the drain of the short-circuit preventing
図1に示すように、パワートランジスタFET1〜FET6は1列に並べられ、それとほぼ並行にダイオードD1〜D6も1列に並べられる。 As shown in FIG. 1, the power transistors FET1 to FET6 are arranged in a line, and the diodes D1 to D6 are also arranged in a line almost in parallel with the power transistors.
パワートランジスタFET1は銅箔を代表材料とする金属パターン3aに載置され、ダイオードD1は、金属パターン3eに載置される。金属パターン3aと金属パターン3eは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。パワートランジスタFET2は金属パターン3bに載置され、ダイオードD2は、金属パターン3eに載置される。金属パターン3bと金属パターン3eは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。パワートランジスタFET3は金属パターン3cに載置され、ダイオードD3は、金属パターン3eに載置される。金属パターン3cと金属パターン3eは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。パワートランジスタFET4は金属パターン3dに載置され、ダイオードD4は、金属パターン3fに載置される。金属パターン3dと金属パターン3fは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。パワートランジスタFET5は金属パターン3dに載置され、ダイオードD5は、金属パターン3gに載置される。金属パターン3dと金属パターン3gは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。パワートランジスタFET6は金属パターン3dに載置され、ダイオードD6は、金属パターン3hに載置される。金属パターン3dと金属パターン3hは直接接触することなく、ポンディングワイヤを介して接続される。
The power transistor FET1 is placed on the metal pattern 3a whose representative material is copper foil, and the diode D1 is placed on the metal pattern 3e. The metal pattern 3a and the metal pattern 3e are connected via a bonding wire without being in direct contact. The power transistor FET2 is placed on the
このようにすることにより、パワートランジスタFET1〜FET6の各々が載置された金属パターンをパワートランジスタFET1〜FET6のソース電位とすることができるので、パワートランジスタFETにおけるコラプス現象を抑制できる。 By doing so, the metal pattern on which each of the power transistors FET1 to FET6 is placed can be used as the source potential of the power transistors FET1 to FET6, so that the collapse phenomenon in the power transistor FET can be suppressed.
ダイオードD1〜D6については、カソード側を金属パターンとすることのできるN型Si半導体基板上に設けられるので、低抵抗化が可能となる。ハイサイド側のダイオードD1〜D3は、共通の金属パターン3e上に載置される。 Since the diodes D1 to D6 are provided on an N-type Si semiconductor substrate whose cathode side can be a metal pattern, the resistance can be reduced. The high-side diodes D1 to D3 are placed on a common metal pattern 3e.
ロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6は、横型のデバイスであるので、基板電位をソース電位とすることができるので共通の金属パターン3d上に載置される。この共通の金属パターン3d上に、縦型デバイスである短絡防止用MOSトランジスタ10のドレイン端子が接続される。Si系の縦型MOSとしては、N型Si基板を用いた素子が一般的であり、この場合にはドレイン側が裏面電極となる。P型基板に比べてN型基板は低抵抗であり、半導体パワーモジュールにとって損失が減ることになるので好ましい。
Since the low-side power transistors FET4 to FET6 are horizontal devices, the substrate potential can be set as the source potential, so that they are placed on the common metal pattern 3d. On the common metal pattern 3d, the drain terminal of the short-circuit preventing
短絡防止用MOSトランジスタ10のドレイン電極とパワートランジスタFET4〜FET6のソース端子とを共通の金属パターン3d(第1の金属パターン)上に直接載置させることにより、パワートランジスタFET4〜FET6のソースと短絡防止用MOSトランジスタ10のドレインとの間の寄生インダクタンスを最小限とすることができる。つまり、この間での寄生インダクタスによる電位変動を抑制することができる。その結果、ロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6に誤動作が生じないようにすることができる。
The drain electrode of the short-circuit preventing
特に、本実施の形態の半導体パワーモジュールでは、短絡防止用MOSトランジスタ10がオフになった際、パワートランジスタFET4〜FET6のソース電位が上昇し、ひいては、パワートランジスタFET4〜FET6のゲート電位がソース電位に対して負電圧としてオフさせることによって、より安全な短絡防止を図っているので、ここでの寄生インダクタンスによる誤動作が起こるとパワートランジスタFET4〜FET6あるいは短絡防止用MOSトランジスタ10を壊す可能性がある。従って、ここでの寄生インダクタを減らすことは大変有用である。
In particular, in the semiconductor power module according to the present embodiment, when the short-circuit preventing
ハイサイド用制御集積回路IC1は、ハイサイド側パワートランジスタFET1〜FET3のゲートおよびソースと接続される。 The high-side control integrated circuit IC1 is connected to the gates and sources of the high-side power transistors FET1 to FET3.
ハイサイド用制御集積回路IC1は、制御用リード4を介して外部からの制御信号を受ける。具体的には、ハイサイド用制御集積回路IC1には、リードUP、VP、WPによりハイサイド側のU相の制御信号、V相の制御信号、W相の制御信号が入力される。
The high-side control integrated
ハイサイド用制御集積回路IC1は、ゲート抵抗R1〜R3を介してハイサイド側パワートランジスタFET1〜FET3のゲートに接続され、ハイサイド側パワートランジスタFET1〜FET3を制御する。 The high-side control integrated circuit IC1 is connected to the gates of the high-side power transistors FET1 to FET3 via the gate resistors R1 to R3, and controls the high-side power transistors FET1 to FET3.
ハイサイド用制御集積回路IC1は、パワートランジスタFET1のソース電位をセンスできるように、パワートランジスタFET1のソースに接続され、その接続線にはU相ハイサイド電源用ブートコンデンサC1が接続されている。 The high-side control integrated circuit IC1 is connected to the source of the power transistor FET1 so that the source potential of the power transistor FET1 can be sensed, and a U-phase high-side power supply boot capacitor C1 is connected to the connection line.
ハイサイド用制御集積回路IC1は、パワートランジスタFET2のソース電位をセンスできるように、パワートランジスタFET2のソースに接続され、その接続線にはV相ハイサイド電源用ブートコンデンサC2が接続されている。 The high-side control integrated circuit IC1 is connected to the source of the power transistor FET2 so that the source potential of the power transistor FET2 can be sensed, and a V-phase high-side power supply boot capacitor C2 is connected to the connection line.
ハイサイド用制御集積回路IC1は、パワートランジスタFET3のソース電位をセンスできるように、パワートランジスタFET3のソースに接続され、その接続線にはW相ハイサイド電源用ブートコンデンサC3が接続されている。 The high-side control integrated circuit IC1 is connected to the source of the power transistor FET3 so that the source potential of the power transistor FET3 can be sensed, and a W-phase high-side power supply boot capacitor C3 is connected to the connection line.
ロウサイド用制御集積回路IC2は、ロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6、および短絡防止用MOSトランジスタ10のゲートおよびソースと接続される。
The low-side control integrated circuit IC2 is connected to the gates and sources of the low-side power transistors FET4 to FET6 and the short-circuit
ロウサイド用制御集積回路IC2は、制御用リード4を介して外部からの制御信号を受ける。具体的には、ロウサイド用制御集積回路IC2には、リードUN、VN、WNによりロウサイド側のU相の制御信号、V相の制御信号、W相の制御信号が入力される。
The low-side control integrated
ロウサイド用制御集積回路IC2は、ゲート抵抗R4〜R6を介してロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6のゲートに接続され、ロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6を制御する。 The low-side control integrated circuit IC2 is connected to the gates of the low-side power transistors FET4 to FET6 via the gate resistors R4 to R6, and controls the low-side power transistors FET4 to FET6.
ロウサイド用制御集積回路IC2は、短絡防止用MOSトランジスタ10のゲートとソースに接続されることによって、短絡防止用MOSトランジスタ10を制御する。
The low-side control integrated circuit IC2 controls the short-circuit
ロウサイド用制御集積回路IC2に問題が発生して、ロウサイド用制御集積回路IC2からパワートランジスタFET4〜FET6のゲート端子に電圧が印加されなくなった場合、ハイサイド側パワートランジスタFET1〜FET3およびロウサイド側パワートランジスタFET4〜FET6は、ノーマリオン型デバイスのため、オン状態になり、大きな短絡電流が流れる。これを防止するために、短絡防止用MOSトランジスタ10が設けられる。つまり、ロウサイド用制御集積回路IC2の動作電圧不足を検知して不十分な場合には、ノーマリオフデバイスである短絡防止用MOSトランジスタ10がオフとなり、アーム短絡が回避される。
When a problem occurs in the low-side control integrated circuit IC2, and no voltage is applied from the low-side control integrated circuit IC2 to the gate terminals of the power transistors FET4 to FET6, the high-side power transistors FET1 to FET3 and the low-side power transistor Since FET4 to FET6 are normally-on devices, they are turned on and a large short-circuit current flows. In order to prevent this, a short-circuit
制御集積回路IC1およびIC2の制御によって、パワートランジスタFET1〜FEE6は、入力電圧端子P、Nからの直流入力をオン/オフし、出力端子U、V、Wから三相モータ(図示せず)に任意の周波数の交流出力を供給する。 Under the control of the control integrated circuits IC1 and IC2, the power transistors FET1 to FEE6 turn on / off the direct current input from the input voltage terminals P and N, and output from the output terminals U, V, and W to a three-phase motor (not shown). Supply AC output of any frequency.
以上のように、本実施の形態の半導体パワーモジュールでは、低抵抗で安価なダイオードやMOSを用いることができるとともに、低損失のモジュールとすることができる。 As described above, in the semiconductor power module of the present embodiment, a low-resistance and inexpensive diode or MOS can be used, and a low-loss module can be obtained.
なお、本実施の形態では、3相のパワーモジュールを有する構成を説明したが、単相のパワーモジュールの構成であってもよい。 In the present embodiment, a configuration having a three-phase power module has been described. However, a configuration of a single-phase power module may be used.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
D1〜D6 ダイオード、FET1〜FET6 パワートランジスタ、10 MOSトランジスタ、1 DCB基板、2 フレシキブルプリント基板、3a〜3h 金属パターン、4 制御用リード、5 電力用リード、IC1,IC2 制御集積回路、P,N 入力電圧端子、100 半導体パワーモジュール。 D1-D6 Diode, FET1-FET6 Power transistor, 10 MOS transistor, 1 DCB board, 2 Flexible printed board, 3a-3h Metal pattern, 4 Control lead, 5 Power lead, IC1, IC2 Control integrated circuit, P, N Input voltage terminal, 100 semiconductor power module.
Claims (8)
前記ハイサイド側パワー半導体素子と直列に接続された、ノーマリオン型のロウサイド側パワー半導体素子と、
第2の電圧端子と前記ロウサイド側パワー半導体素子との間に設けられた、短絡防止用のノーマリオフ型のMOSトランジスタと、
前記ハイサイド側およびロウサイド側パワー半導体素子のスイッチングを制御する制御集積回路と、
前記ロウサイド側パワー半導体素子のソースと前記MOSトランジスタのドレインを直接電気的に接続するための第1の金属パターンとを備えた、半導体パワーモジュール。 A normally-on high-side power semiconductor element connected to the first voltage terminal;
A normally-on low-side power semiconductor element connected in series with the high-side power semiconductor element;
A normally-off type MOS transistor for preventing a short circuit provided between a second voltage terminal and the low-side power semiconductor element;
A control integrated circuit for controlling the switching of the high-side and low-side power semiconductor elements;
A semiconductor power module comprising: a first metal pattern for directly electrically connecting a source of the low side power semiconductor element and a drain of the MOS transistor.
前記ロウサイド側パワー半導体素子に逆並列接続されたロウサイド側ダイオードとを備える、請求項1記載の半導体パワーモジュール。 A high-side diode connected in reverse parallel to the high-side power semiconductor element;
The semiconductor power module according to claim 1, further comprising a low-side diode connected in reverse parallel to the low-side power semiconductor element.
前記ハイサイド側パワー半導体素子が載置される第2の金属パターンと、前記ハイサイド側ダイオードが載置される第3の金属パターンとが分離される、請求項3記載の半導体パワーモジュール。 The first metal pattern on which the low-side power semiconductor element is placed and the fourth metal pattern on which the low-side diode is placed are separated,
4. The semiconductor power module according to claim 3, wherein a second metal pattern on which the high-side power semiconductor element is placed and a third metal pattern on which the high-side diode is placed are separated.
前記制御用基板がフレキシブルプリント基板である、請求項1記載の半導体パワーモジュール。 The control integrated circuit is placed on a control substrate,
The semiconductor power module according to claim 1, wherein the control board is a flexible printed board.
前記電力用基板がDCB(Direct Copper Bonding)基板である、請求項1記載の半導体パワーモジュール。 The high-side and low-side power semiconductor elements are placed on a power substrate,
The semiconductor power module according to claim 1, wherein the power substrate is a DCB (Direct Copper Bonding) substrate.
前記第1〜第3のハイサイド側パワー半導体素子とそれぞれ直列に接続された、ノーマリオン型の第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子と、
第2の電圧端子と前記第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子との間に設けられた、短絡防止用のノーマリオフ型のMOSトランジスタと、
前記第1〜第3のハイサイド側のスイッチングを制御するハイサイド用制御集積回路と、
前記第1〜第3のロウサイド側のスイッチングを制御するロウサイド用制御集積回路と、
前記第1〜第3のロウサイド側パワー半導体素子のソースと前記MOSトランジスタのドレインを直接電気的に接続するための第1の金属パターンとを備えた、半導体パワーモジュール。 A normally-on type first to third high-side power semiconductor element connected to the first voltage terminal;
Normally-on type first to third low-side power semiconductor elements connected in series with the first to third high-side power semiconductor elements, respectively;
A normally-off type MOS transistor for preventing a short circuit provided between a second voltage terminal and the first to third low-side power semiconductor elements;
A high-side control integrated circuit that controls switching of the first to third high-sides;
A low-side control integrated circuit that controls switching of the first to third low-side sides;
A semiconductor power module comprising: a first metal pattern for directly electrically connecting a source of the first to third low-side power semiconductor elements and a drain of the MOS transistor.
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