JP2015171182A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】出力電圧を安定させるための構成を備えた半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュール(100)は、半導体スイッチ素子(1A,1B)と、駆動回路(4)と、半導体スイッチ素子(1A,1B)および駆動回路(4)を収容する収容部材(101)と、外部端子(31,41)とを備える。外部端子(31,41)は、収容部材(101)の内部に配置されて、駆動回路(4)から出力された駆動信号を半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)に伝達する信号配線部(31A,31B,41A,41B)と、収容部材(101)の内部において信号配線部(31A,31B,41A,41B)に電気的に接続されるとともに、収容部材(101)の内部から収容部材(101)の外部へと引出される端子部(31C,41C)とを備える。【選択図】図2

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。特に、本発明は、半導体スイッチ素子と、その半導体スイッチ素子を駆動するための駆動回路とを備えた半導体モジュールに関する。
近年、パワー半導体素子と駆動回路とを備えた半導体モジュールが、たとえばインバータ装置に搭載される。パワー半導体素子と駆動回路とに加えて、その半導体スイッチ素子を保護するための回路を備えた半導体モジュールが提案されている。たとえば特開2000−224861号公報(特許文献1)、特開2010−239760号公報(特許文献2)および特開2013−55739号公報(特許文献3)は、パワー半導体素子と、駆動回路と、保護回路とを備えた半導体モジュールを開示する。
特開2000−224861号公報 特開2010−239760号公報 特開2013−55739号公報
半導体モジュールの動作時には、半導体モジュールは電流をスイッチングする。電流をスイッチングすることによって、半導体モジュールの出力電圧が振動する可能性がある。出力電圧の振動の原因は、たとえば半導体スイッチ素子の帰還容量、あるいは、外部回路のインダクタンス等である。
半導体モジュールの組立において、半導体スイッチ素子および駆動回路は、パッケージに実装される。たとえば封止樹脂によって、駆動回路および半導体スイッチ素子が覆われる。駆動回路と半導体スイッチ素子の制御電極とは配線によって接続される。しかし、この配線も封止樹脂に覆われる。したがって半導体モジュールの組立後には、半導体スイッチ素子の制御電極に入力される電圧を検出することができない。さらに、半導体モジュールの組立後には、制御電極に入力される電圧から雑音電圧を除去することができない。
しかしながら、特許文献1〜3は、半導体モジュールの出力電圧に振動が生じるという問題について説明していない。このため特許文献1〜3は、半導体モジュールの出力電圧の安定化を実現するための具体的な構成を開示していない。
本発明の目的は、出力電圧を安定させるための構成を備えた半導体モジュールを提供することである。
本発明のある局面に係る半導体モジュールは、制御電極を有する半導体スイッチ素子と、半導体スイッチ素子の制御電極に、半導体スイッチ素子を駆動するための駆動信号を与える駆動回路と、半導体スイッチ素子および駆動回路を収容する収容部材と、収容部材の内部から収容部材の外部に引出される外部端子とを備える。外部端子は、収容部材の内部に配置されて、駆動回路から出力された駆動信号を半導体スイッチ素子の制御電極に伝達する信号配線部と、収容部材の内部において信号配線部に電気的に接続されるとともに、収容部材の内部から収容部材の外部へと引出される端子部とを含む。
本発明によれば、出力電圧を安定させるための構成を備えた半導体モジュールを実現することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体モジュール100の外形を示した上面図である。 図1に示した半導体モジュール100の内部透視図である。 図1および図2に示した半導体モジュール100の等価回路図である。 半導体モジュール100の出力電圧に振動が発生した状態を模式的に説明した電圧波形図である。 実施の形態2に係る半導体モジュールの構成を示した回路図である。 図5に示したフィルタ70A,70Bの具体的な構成の一例を示した図である。 図5に示したフィルタ70A,70Bの具体的な構成の他の例を示した図である。 半導体スイッチ素子1Aの動作への帰還容量(ゲート−ドレイン間容量)の影響を説明するための図である。 図8に示した構成による効果を模式的に説明した電圧波形図である。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。なお、本明細書において「電気的に接続」とは、2つの要素の直接の接続によって、それら2つの要素の間の電気的伝導が生じる場合に限定されず、2つの要素の間の電気的伝導が、それら2つの要素の間に配置される別の要素を介在して生じる場合を含む。
(1)本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール(100)は、制御電極(11A,11B)を有する半導体スイッチ素子(1A,1B)と、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)に、半導体スイッチ素子(1A,1B)を駆動するための駆動信号を与える駆動回路(4)と、半導体スイッチ素子(1A,1B)および駆動回路(4)を収容する収容部材(101)と、収容部材(101)の内部から収容部材(101)の外部に引出される外部端子(31,41)とを備える。外部端子(31,41)は、収容部材(101)の内部に配置されて、駆動回路(4)から出力された駆動信号を半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)に伝達する信号配線部(31A,31B,41A,41B)と、収容部材(101)の内部において信号配線部(31A,31B,41A,41B)に電気的に接続されるとともに、収容部材(101)の内部から収容部材(101)の外部へと引出される端子部(31C,41C)とを含む。
上記構成によれば、出力電圧を安定させるための構成を備えた半導体モジュール(100)を実現することができる。端子部(31C,41C)の電圧を検出することにより、半導体モジュール(100)の内部(信号配線部(31A,31B,41A,41B))を伝達される駆動信号を、半導体モジュール(100)の外部において検出することができる。したがって、半導体モジュール(100)の組立後に、駆動信号が正常であるか否かを検出することができる。
たとえば端子部(31C,41C)に電子部品を接続することができる。駆動信号の電圧に雑音電圧が含まれる場合、たとえば、端子部(31C,41C)にフィルタを接続することができる。これにより、半導体モジュール(100)の出力電圧を安定させることができる。
収容部材(101)は、半導体スイッチ素子(1A,1B)および駆動回路(4)を収容する部材であれば特に限定されない。たとえば収容部材(101)は、ケースであってもよい。さらに、収容部材(101)の内部には空間が形成されていてもよい。あるいは半導体スイッチ素子(1A,1B)および駆動回路(4)がリードフレームに実装されて、封止樹脂によって封止されていてもよい。この場合、封止工程の後の封止樹脂が収容部材(101)を実現する。
(2)好ましくは、半導体モジュール(100)は、収容部材(101)の内部に配置されて、駆動回路(4)と、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)との間に、信号配線部(31A,31B,41A,41B)に電気的に直列に接続される第1の抵抗素子(6A,6B)をさらに備える。
上記構成によれば、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)に加わる駆動信号の変化を緩やかにするとともに、信号配線部(31B,41B)のインピーダンスを高くして外部端子(31,41)に接続されたフィルタによるインピーダンスを調整することができる。これにより、半導体スイッチ素子(1A,1B)の発振を防止することができる。したがって半導体モジュール(101)の出力電圧の振動を抑制することができる。この結果、半導体モジュール(101)の出力電圧を安定させることができる。
第1の抵抗素子(6A,6B)と信号配線部(31A,31B,41A,41B)とは電気的に直列に接続されていればよい。したがって、第1の抵抗素子(6A,6B)の一方端と信号配線部(31A,31B,41A,41B)との一方端とが電気的に接続されてもよい。あるいは、信号配線部(31A,31B,41A,41B)の途中に、第1の抵抗素子(6A,6B)が挿入されてもよい。すなわち、信号配線部(31A,31B,41A,41B)は、第1の抵抗素子(6A,6B)の一方端に電気的に接続される第1の部分(31A,41A)と、第1の抵抗素子の他方端に電気的に接続される第2の部分(31B,41B)とを有してもよい。
(3)好ましくは、半導体スイッチ素子(1A,1B)は、ソース電極(12A,12B)をさらに有する。半導体モジュール(100)は、収容部材(101)の内部に配置されて、半導体スイッチ素子(1A,1B)のソース電極(12A,12B)に電気的に接続されるソース配線部(33,42)と、収容部材(101)の内部に配置されて、信号配線部(31A,31B,41A,41B)と、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)とを電気的に接続するワイヤ(7A,7B)とをさらに備える。信号配線部(31A,31B,41A,41B)は、ソース配線部(33,42)よりも半導体スイッチ素子(1A,1B)の近くに配置される。
上記構成によれば、駆動回路(4)から半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)までの間のインダクタンス成分を小さくすることができる。ワイヤ(7A,7B)が長いほど、駆動回路(4)から半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)との間のインダクタンス成分が大きくなりやすい。信号配線部(31A,31B,41A,41B)を、ソース配線部(33,42)よりも半導体スイッチ素子(1A,1B)の近くに配置することにより、信号配線部(31A,31B,41A,41B)と半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)とを接続するワイヤ(7A,7B)を短くすることができる。したがって、ワイヤ(7A,7B)のインダクタンス成分を小さくすることができる。これにより、駆動信号に重畳する雑音電圧を小さくすることができる。この結果、半導体モジュール(100)の出力電圧を安定させることができる。
「ソース電極」とは、キャリアを半導体スイッチ素子に注入するための電極を意味する。たとえば、半導体スイッチ素子がバイポーラトランジスタ、あるいはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であれば、「ソース電極」を「エミッタ電極」と読み替えることができる。したがって「ソース電極」との用語は、半導体スイッチ素子をFET(Field Effect Transistor)に限定するものではない。また、半導体スイッチ素子がn型の半導体スイッチ素子である場合、「ソース電極」は、半導体スイッチ素子が有する2つの主電極のうち、低電位側に電気的に接続される電極に対応する。半導体スイッチ素子がp型の半導体スイッチ素子である場合、「ソース電極」は、半導体スイッチ素子が有する2つの主電極のうち、高い電位側に電気的に接続される電極に対応する。
(4)好ましくは、半導体モジュール(100)は、端子部(31C,41C)に電気的に接続されるコンデンサ(71A,71B)をさらに備える。
上記構成によれば、半導体スイッチ素子(1A,1B)および駆動回路(4)が収容部材(101)に収容された後に、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)にコンデンサ(71A,71B)を電気的に接続することができる。コンデンサ(71A,71B)が、半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)に入力される電圧から、雑音電圧を除去するためのフィルタとして機能することができる。したがって、半導体モジュール(100)の出力電圧を安定させることができる。
(5)好ましくは、半導体モジュール(100)は、端子部(31C,41C)に、コンデンサ(71A,71B)と電気的に直列に接続される第2の抵抗素子(72A,72B)をさらに備える。
上記構成によれば、少なくともコンデンサ(71A,71B)に第2の抵抗素子(72A,72B)を付加することによって、ラグリード(lag lead)フィルタを構成することができる。半導体スイッチ素子(1A,1B)の制御電極(11A,11B)にコンデンサ(71A,71B)のみが接続された場合、半導体スイッチ素子(1A,1B)の帰還容量(たとえばゲート−ドレイン間容量)を介した帰還信号の位相回転によって、帰還信号の位相が駆動信号の位相と同じになった場合、半導体スイッチ素子(1A,1B)が発振する。ラグリードフィルタは、帰還信号の位相回転を抑えることができるので、半導体スイッチ素子(1A,1B)の発振を抑制できる。さらに、ラグリードフィルタによって、半導体モジュール(100)のスイッチング速度を大きく低下させることなく、電圧の振動を抑えることができる。したがって、半導体モジュール(100)を高速でスイッチングすることができる。
(6)好ましくは、半導体スイッチ素子(1A,1B)は、炭化珪素半導体素子である。
上記構成によれば、高電圧、高電流あるいは高速での半導体モジュールの動作が可能となり、高速スイッチ動作に伴う半導体モジュールの出力電圧の変化に対する効果が顕著に発揮される。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
<実施の形態1>
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体モジュール100の外形を示した上面図である。図2は、図1に示した半導体モジュール100の内部透視図である。
図1および図2を参照して、半導体モジュール100は、半導体スイッチ素子1A,1Bと、ダイオード素子2A,2Bと、ダイパッド3A,3Bと、駆動IC(駆動回路)4と、チップ抵抗6A,6B(各々は、第1の抵抗素子に対応する)と、ワイヤ7A,7B,8A,8B,9A,9B,10A,10B,10Cとを備える。半導体モジュール100は、さらに、端子(外部端子)31〜36,41〜46,51〜53と、収容部材101とを備える。
図1および図2は、半導体パッケージの1つの例を示すものである。一実施形態では、半導体モジュール100のパッケージの種類は、DIP(Dual Inline Package)である。しかしながら本発明の実施の形態に係る半導体モジュールに適用されるパッケージ形状は特に限定されるものではない。
収容部材101は、半導体スイッチ素子1A,1B,ダイオード素子2A,2B、ダイパッド3A,3B、駆動IC4、および、チップ抵抗6A,6Bを収容する。端子31〜36,41〜46,51〜53は、収容部材101の内部から収容部材101の外部へと引き出される。
収容部材101の種類は特に限定されない。たとえば収容部材101は、ケースであってもよい。ケースは、蓋を有していてもよい。
収容部材101の内部には空間が形成されていてもよい。たとえば、樹脂が、その空間に充填されていてもよい。あるいは半導体スイッチ素子1A,1Bと、ダイオード素子2A,2Bと、駆動IC4とがリードフレームに実装されて、封止樹脂によって封止されていてもよい。この場合、封止工程の後の封止樹脂が収容部材101を実現する。
半導体スイッチ素子1A,1Bおよびダイオード素子2A,2Bの各々は、チップ(ダイ)の形態を有する。半導体スイッチ素子1Aおよびダイオード素子2Aは、ダイパッド3Aに実装される。同じく、半導体スイッチ素子1Bおよびダイオード素子2Bは、ダイパッド3Bに実装される。
この実施の形態では、半導体スイッチ素子1A,1Bは、nチャネル縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。半導体スイッチ素子1Aは、ゲートパッド11Aと、ソースパッド12Aと、図示しないドレイン電極とを有する。半導体スイッチ素子1Bは、ゲートパッド11Bと、ソースパッド12Bと、図示しないドレイン電極とを有する。
ゲートパッド11A,11Bは、それぞれ、半導体スイッチ素子1A,1Bの制御電極に相当する。ソースパッド12A,12Bは、それぞれ、半導体スイッチ素子1A,1Bのソース電極に相当する。
半導体スイッチ素子1A,1Bの各々のドレイン電極は、チップの裏面に形成される。チップの裏面とは、ゲートパッドおよびソースパッドが配置された面と反対側の面である。
ダイパッド3A,3Bは、金属からなる。たとえば、半田などといった導電性材料によって、半導体スイッチ素子1Aおよび半導体スイッチ素子1Bのドレイン電極が、それぞれダイパッド3Aおよびダイパッド3Bに電気的に接続される。さらに、半導体スイッチ素子1Aおよび半導体スイッチ素子1Bが、それぞれダイパッド3Aおよびダイパッド3Bに固定される。
ダイオード素子2Aは、アノード電極21Aと、図示しないカソード電極とを有する。ダイオード素子2Bは、アノード電極21Bと、図示しないカソード電極とを有する。ダイオード素子2A,2Bの各々のカソード電極は、チップの裏面(アノード電極が配置された面と反対側の面)に形成される。半導体スイッチ素子1A,1Bと同様に、たとえば、半田などといった導電性材料によって、ダイオード素子2A,2Bのカソード電極は、それぞれダイパッド3Aおよびダイパッド3Bに電気的に接続される。さらに、ダイオード素子2A,2Bが、それぞれダイパッド3Aおよびダイパッド3Bに固定される。
半導体スイッチ素子1A,1Bの各々の材料(半導体)は限定されない。しかしながら、半導体スイッチ素子1A,1Bの各々の材料は、ワイドバンドギャップ半導体であることが好ましい。1つの実施形態において、半導体スイッチ素子1A,1Bの各々の材料は、炭化珪素(SiC)である。すなわち、半導体スイッチ素子1A,1Bは、炭化珪素半導体素子である。
炭化珪素を半導体スイッチ素子1A,1Bの材料として採用することにより、半導体スイッチ素子1A,1Bの各々が、高耐圧、低いオン抵抗、および高いスイッチング速度で動作可能となる。したがって、半導体モジュール100を高電圧、高電流および高速で動作させることができる。
さらに、ダイオード素子2A,2Bの各々も、炭化珪素半導体素子であることが好ましい。これにより、半導体モジュール100を高電圧、高電流および高速で動作させることができる効果がより高められる。
半導体スイッチ素子1Aのソースパッド12Aは、ダイオード素子2Aのアノード電極21Aに、ワイヤ9Aによって電気的に接続される。ダイオード素子2Aのアノード電極21Aは、ワイヤ10Aによって、ダイパッド3Bに電気的に接続される。
半導体スイッチ素子1Bのソースパッド12Bは、端子53に、ワイヤ9Bによって電気的に接続される。ダイオード素子2Bのアノード電極21Bは、ワイヤ10Bによって、端子53に電気的に接続される。ダイオード素子2Bのアノード電極21Bが、ワイヤによって半導体スイッチ素子1Bのソースパッド12Bに電気的に接続されてもよい。
ダイパッド3Aは、端子51に電気的に接続される。たとえばダイパッド3Aと端子51とが一体的に形成される。したがって、半導体スイッチ素子1Aのドレイン電極およびダイオード素子2Aのカソード電極が、端子51に電気的に接続される。
ダイパッド3Bは、ワイヤ10Cによって、端子52に電気的に接続される。したがって、半導体スイッチ素子1Bのドレイン電極およびダイオード素子2Bのカソード電極が、端子52に電気的に接続される。さらに、ワイヤ9A,10A、10Cおよびダイパッド3Bを通じて、半導体スイッチ素子1Aのソースパッド12Aおよびダイオード素子2Aのアノード電極21Aが端子52に電気的に接続される。
ワイヤ7A,7B,8A,8B,9A,9B,10A,10B,10Cの各々は、たとえばアルミニウム(Al)からなる。なお、ワイヤの本数は特に限定されない。
駆動IC4は、半導体スイッチ素子1A,1Bのそれぞれのゲート電極(ゲートパッド11A,11B)に、半導体スイッチ素子1A,1Bのオンおよびオフを切換えるための駆動信号を与える回路である。この実施の形態では、駆動回路は、集積回路である。しかしながら駆動回路の少なくとも一部を個別素子によって構成してもよい。
1つの実施形態では、駆動IC4は、端子T1〜T16を有する。端子T1,T2,T3,T4,T5,T8は、それぞれ、端子34,35,36,46,45,44に電気的に接続される。端子T9,T10,T11,T14,T15,T16は、それぞれ、端子42,41,43,33,31,32に電気的に接続される。たとえば半田によって、半導体モジュール100の各端子と、駆動IC4の対応する端子とが電気的に接続される。駆動IC4の端子T6,T7,T12,T13は、半導体モジュール100の内部に設けられた回路部品あるいは配線等に接続されない。
駆動IC4は、半導体スイッチ素子1Aを駆動するための駆動信号および半導体スイッチ素子1Bを駆動するための駆動信号を生成する。2つの駆動信号を生成するために、駆動IC4は、2つの入力信号を受ける。たとえば端子T1,T2は、2つの入力信号のうちの一方の信号および他方の信号をそれぞれ受ける。
端子T3,T8は、たとえば駆動IC4の動作に必要な電源電圧を受けるための端子である。端子T4は、たとえば接地端子である。端子T5は、たとえば、駆動IC4の動作および停止を制御するための制御信号を受ける端子である。
端子T10は、半導体スイッチ素子1Bを駆動するための駆動信号を出力する端子である。端子T15は、半導体スイッチ素子1Aを駆動するための駆動信号を出力する端子である。
駆動IC4は、半導体スイッチ素子1Bを駆動するための駆動信号を生成する内部回路を有する。端子T9および端子T11は、その内部回路に、基準電圧および電源電圧をそれぞれ供給するための端子である。半導体スイッチ素子1Bを駆動するための駆動信号が、端子T10から出力される。
駆動IC4は、さらに、半導体スイッチ素子1Aを駆動するための駆動信号を生成する内部回路を有する。端子T14および端子T16は、その内部回路に、基準電圧および電源電圧をそれぞれ供給するための端子である。半導体スイッチ素子1Aを駆動するための駆動信号が、端子T15から出力される。
なお、各端子の機能および配置が上記のように限定されるものではない。さらに、駆動IC4の有する端子の数も16に限定されるものではない。駆動IC4の有する端子の数が16よりも少なくてもよい。逆に、駆動IC4の有する端子の数が16より多くてもよい。また、駆動IC4は、それ自身でパッケージ化されてもよく、ベアチップであってもよい。
端子31は、信号配線部31A,31Bと、端子部31Cとを含む。信号配線部31A,31Bは、収容部材101の内部に配置される。信号配線部31A,31Bは、駆動IC4の端子T15から出力された駆動信号を、半導体スイッチ素子1Aのゲート電極(ゲートパッド11A)に与えるために設けられる。
信号配線部31Aの一方端は、駆動IC4の端子T15に電気的に接続される。信号配線部31Aの他方端は、チップ抵抗6Aの一方端に電気的に接続される。チップ抵抗6Aの他方端は、信号配線部31Bの一方端に接続される。したがって、信号配線部31A,31Bは、チップ抵抗6Aと電気的に直列に接続される。チップ抵抗6Aは、半導体スイッチ素子1Aのゲート電極(ゲートパッド11A)の入力インピーダンスを調整するために、信号配線部31A,31Bに電気的に接続される。
端子部31Cの一方端は、信号配線部31Bの他方端に電気的に接続される。端子部31Cは、収容部材101の内部から収容部材101の外部へと引出される。すなわち端子部31Cの他方端が、収容部材101の外部に露出する。
ワイヤ7Aは、信号配線部31Bと半導体スイッチ素子1Aのゲート電極(ゲートパッド11A)とを電気的に接続する。駆動IC4の端子T15から駆動信号が出力される。その駆動信号は、信号配線部31A,31Bおよびチップ抵抗6Aを伝達される。さらに駆動信号は、ワイヤ7Aを介して、半導体スイッチ素子1Aのゲートパッド11Aに与えられるとともに、端子部31Cを通じて外部に出力される。
端子33は、駆動IC4の端子T14に電気的に接続される。さらに、端子33は、ワイヤ8Aによって、半導体スイッチ素子1Aのソースパッド12Aに電気的に接続される。
端子41は、信号配線部41A,41Bと、端子部41Cとを含む。信号配線部41A,41Bは、収容部材101の内部に配置される。信号配線部41A,41Bは、駆動IC4の端子T10から出力された駆動信号を、半導体スイッチ素子1Bのゲート電極(ゲートパッド11B)に与えるために設けられる。
信号配線部41Aの一方端は、駆動IC4の端子T10に電気的に接続される。信号配線部41Aの他方端は、チップ抵抗6Bの一方端に電気的に接続される。チップ抵抗6Bの他方端は、信号配線部41Bの一方端に接続される。したがって、信号配線部41A,41Bは、チップ抵抗6Bと電気的に直列に接続される。チップ抵抗6Bは、半導体スイッチ素子1Bのゲート電極(ゲートパッド11B)の入力インピーダンスを調整するために、信号配線部41A,41Bに電気的に接続される。
端子部41Cの一方端は、信号配線部41Bの他方端に電気的に接続される。端子部41Cは、収容部材101の内部から収容部材101の外部へと引出される。すなわち端子部41Cの他方端が、収容部材101の外部に露出する。
ワイヤ7Bは、信号配線部41Bと半導体スイッチ素子1Bのゲート電極(ゲートパッド11B)とを電気的に接続する。駆動IC4の端子T10から駆動信号が出力される。その駆動信号は、信号配線部41A,41Bおよびチップ抵抗6Bを伝達される。さらに駆動信号は、ワイヤ7Bを介して、半導体スイッチ素子1Bのゲートパッド11Bに与えられるとともに、端子部41Cを通じて外部に出力される。
端子42は、駆動IC4の端子T9に電気的に接続される。さらに、端子42は、ワイヤ8Bによって、半導体スイッチ素子1Bのソースパッド12Bに電気的に接続される。
端子33,42は、対応する半導体スイッチ素子のソース電極(ソースパッド)に電気的に接続されるソース配線部である。端子31の信号配線部31Bは、ソース配線部(端子33)よりも半導体スイッチ素子1Aの近くに配置される。端子41の信号配線部41Bは、ソース配線部(端子42)よりも半導体スイッチ素子1Bの近くに配置される。このような配置により、ワイヤ7Aがワイヤ8Aよりも短くなる。同じく、ワイヤ7Bがワイヤ8Bよりも短くなる。したがってワイヤ7A,7Bのインダクタンス成分を小さくすることができる。
図3は、図1および図2に示した半導体モジュール100の等価回路図である。図3を参照して、半導体スイッチ素子1Aのドレイン電極が端子51に電気的に接続される。半導体スイッチ素子1Aのソース電極が端子52に電気的に接続される。半導体スイッチ素子1Bのドレイン電極が端子52に電気的に接続される。半導体スイッチ素子1Bのソース電極が端子53に電気的に接続される。したがって、半導体スイッチ素子1A,1Bは、端子51と端子53との間に電気的に直列に接続される。端子51,52,53は、インバータの「P端子」、「O端子」および「N端子」に相当する。
端子51は、高電圧(たとえばDC600V)を受ける。端子53は、低電圧(たとえば接地電圧)を受ける。端子52は、半導体モジュール100の出力端子に相当し、図示しない交流負荷に接続される。半導体モジュール100の動作時には、半導体スイッチ素子1A,1Bが相補的にオンおよびオフする。これにより端子52の電圧が変化する。
ダイオード素子2A,2Bは、それぞれ、半導体スイッチ素子1A,1Bに逆並列接続される。すなわち、ダイオード素子2Aのアノード電極が、半導体スイッチ素子1Aのソース電極に接続される。ダイオード素子2Aのカソード電極が、半導体スイッチ素子1Aのドレイン電極に接続される。ダイオード素子2Bについても同様であり、上記の説明において、半導体スイッチ素子1Aが半導体スイッチ素子1Bに入れ替えられる。
端子35は、入力信号Viaを受ける。端子34は、入力信号Vibを受ける。端子36は、電源電圧VDD(たとえばDC5V)を受ける。端子46は、接地電圧に接続される。入力信号Via,Vibの各々の電圧は、接地電圧を基準として変化する。
駆動IC4は、入力信号Viaから、駆動信号Voaを生成する。駆動信号Voaの電圧は、端子33(図2参照)の電圧を基準として変化する。端子33の電圧は端子52の電圧と等しいことが好ましい。駆動信号Voaは、半導体スイッチ素子1Aのゲート電極(図2に示すゲートパッド11A)に与えられる。
さらに、駆動IC4は、入力信号Vibから、駆動信号Vobを生成する。駆動信号Vobの電圧は、端子42(図2参照)の電圧を基準として変化する。端子42の電圧は、端子46の電圧(接地電圧)と等しい。さらに、端子42の電圧は、端子53の電圧に等しい。駆動信号Vobは、半導体スイッチ素子1Bのゲート電極(図2に示すゲートパッド11B)に与えられる。
半導体スイッチ素子1A,1Bは、それぞれ、寄生容量61A,61Bを有する。寄生容量61A,61Bの各々は、対応する半導体スイッチのゲート−ドレイン間容量(Cgd)である。半導体スイッチ素子のスイッチング動作時に、寄生容量61A,61Bの各々が充電および放電を行なう。これにより、駆動信号Voa,Vobの各々に雑音電圧が重畳する。したがって端子52の出力電圧に振動が生じやすくなる。
あるいは半導体モジュール100に接続される外部回路(配線、回路部品、負荷を含む)のインダクタンスに起因して、端子52の出力電圧に振動が生じる可能性がある。なお、出力電圧の振動の発生状況は、帰還容量(半導体スイッチ素子のゲート−ドレイン間容量)あるいは外部インピーダンスに応じて異なる。
図4は、半導体モジュール100の出力電圧に振動が発生した状態を模式的に説明した電圧波形図である。図3および図4を参照して、電圧Voutは、端子52の電圧(半導体モジュール100の出力電圧)を表す。
たとえば電圧Voutの立下り時において、アンダーシュートが発生する。電圧Voutは、0V付近で振動し、その後、0Vになる。あるいは、電圧Voutの立上がり時において、オーバーシュートが発生する。電圧Voutは、端子51に与えられる電圧(たとえば600V付近)で振動し、その後、端子51に与えられる電圧に等しくなるように収束する。
たとえば、図3に示された回路を、個別部品を組み合わせて構成することが考えられる。このような構成であれば、半導体スイッチ素子1A,1Bの入力インピーダンスを、抵抗等により調整することができる。適切な抵抗値を有する抵抗素子をチップ抵抗6A,6B(ゲート抵抗)として選択することにより、端子52からの出力電圧の振動を抑えることができる。
しかしながら図1および図2に示されるように、この実施の形態では、駆動IC4、チップ抵抗6A,6B、半導体スイッチ素子1A,1Bおよびダイオード素子2A,2Bが1つの収容部材101に収容されて、半導体モジュール100を構成する。駆動IC4のゲート駆動能力は予め決まっている。さらに、半導体モジュールの組立後にチップ抵抗6A,6B(ゲート抵抗)の抵抗値を調整することはできない。
電圧振動が、半導体モジュール100の使用条件(たとえば動作電圧、スイッチング速度等)に依存する場合には、半導体モジュール100の用途(使用条件)ごとに、半導体モジュール100を調整することが考えられる。具体的には、半導体モジュール100の用途に応じて、駆動IC4あるいはチップ抵抗6A,6Bを選択することが考えられる。
しかしながら、半導体モジュール100の用途ごとに駆動ICおよびチップ抵抗6A,6Bの選択が必要となる。したがって、半導体モジュール100の品種が多くなる。半導体モジュール100の品種が多いほど、半導体モジュールを製造する側にとっては、品種の管理、および半導体モジュールを構成する部品の管理が煩雑になる。このことは半導体モジュール100のコスト増の原因となる。
図2を参照して、実施の形態1によれば、半導体モジュール100は、端子部31C,41Cを有する。端子部31Cは、収容部材101の内部において信号配線部31A,31Bに電気的に接続される。さらに、端子部31Cは、収容部材101の内部から収容部材101の外部へと引出される。同じく、端子部41Cは、収容部材101の内部において信号配線部41A,41Bに電気的に接続される。さらに、端子部41Cは、収容部材101の内部から収容部材101の外部へと引出される。
端子31,41(端子部31C,41C)の電圧を検出することによって、駆動IC4から半導体スイッチ素子1A,1Bに供給される駆動信号を検出することができる。これにより、たとえば半導体モジュール100の組立後の動作試験において、半導体スイッチ素子1Aのゲート、あるいは半導体スイッチ素子1Bのゲートに雑音電圧が入力されているかどうかを判定することができる。
一方、半導体モジュール100の動作試験において、駆動信号が異常である(たとえば大きな雑音電圧が重畳している)場合には、たとえば、その半導体モジュール100を不良品と判定することができる。したがって、駆動信号が正常である半導体モジュール100を製品として出荷することができる。製品として出荷された半導体モジュール100では、出力電圧の振動が抑制されている。したがって、出力電圧を安定させることが可能な半導体モジュールを市場に供給することができる。
さらに実施の形態1によれば、チップ抵抗6A,6Bにより、対応する半導体スイッチ素子のゲート電極に加わる駆動信号の変化を緩やかにするとともに、信号配線部31B,41Bのインピーダンスを高くして外部端子31,41に接続されたフィルタによるインピーダンスを調整することができる。これにより、駆動信号に含まれる雑音電圧を鈍らせることができる。したがって、半導体スイッチ素子のゲート−ドレイン間の発振を防止することができる。この結果、半導体モジュール100の出力電圧の振動を抑制することができる。
さらに、図2に示されるように、実施の形態1によれば、端子31の信号配線部31A,31Bは、端子33(ソース配線部)よりも半導体スイッチ素子1Aの近くに配置される。同じく、端子41の信号配線部41A,41Bは、端子43(ソース配線部)よりも半導体スイッチ素子1Bの近くに配置される。
上記構成によれば、信号配線部と、対応する半導体スイッチ素子のゲート電極とを接続するワイヤを短くすることができる。具体的には、ワイヤ7A,7Bを短くすることができる。ワイヤ7A,7Bが短いことにより、信号配線部と、対応する半導体スイッチ素子のゲート電極との間のインダクタンス成分を小さくすることができる。これにより、駆動信号に重畳する雑音電圧を小さくすることができる。
実施の形態1によれば、半導体スイッチ素子1A,1Bの各々は、炭化珪素半導体素子である。したがって半導体モジュールを高いスイッチング速度で動作させることができる。一方で、出力電圧の振動がより顕著となり得る。実施の形態1によれば、半導体モジュールを高いスイッチング速度で動作させても、出力電圧を安定させることができる。
<実施の形態2>
図5は、実施の形態2に係る半導体モジュールの構成を示した回路図である。図3および図5を参照して、実施の形態2に係る半導体モジュールは、フィルタ70A,70Bが追加される点で、実施の形態1に係る半導体モジュールと異なる。
実施の形態2に係る半導体モジュール100において、フィルタ70A,70B以外の部分の構成は、図1および図2に示された構成と同じである。したがって、図2および図5を参照しながら、実施の形態2に係る半導体モジュール100を説明する。
フィルタ70Aは、収容部材101の外部において、端子31(端子部31C)と端子52との間に電気的に接続される。フィルタ70Bは、収容部材101の外部において、端子41(端子部41C)と端子53との間に電気的に接続される。なお、端子部31C,41Cは、それぞれ、端子31,41の一部であるので、以下においては、端子部31C,41Cを、それぞれ「端子31」、「端子41」と表わす。
フィルタ70Aは、半導体スイッチ素子1Aのゲートに入力される駆動信号に重畳される雑音電圧を取り除く機能を有する。フィルタ70Bは、半導体スイッチ素子1Bのゲートに入力される駆動信号に重畳される雑音電圧を取り除く機能を有する。したがって、実施の形態2によれば、半導体モジュール100の出力電圧の振動を抑えることができる。
フィルタ70Aは、端子31と、半導体スイッチ素子1Aのソースパッド12Aとの間に電気的に接続されていればよい。同じく、フィルタ70Bは、端子41と、半導体スイッチ素子1Bのソースパッド12Bとの間に電気的に接続されていればよい。端子52と端子33とが電気的に接続されている場合、フィルタ70Aは、端子52に代えて端子33に電気的に接続されてもよい。端子53と端子42とが電気的に接続されている場合、フィルタ70Bは、端子53に代えて端子42に電気的に接続されてもよい。以後に説明される構成においても同様である。
図6は、図5に示したフィルタ70A,70Bの具体的な構成の一例を示した図である。図6を参照して、フィルタ70A,70Bは、それぞれ、コンデンサ71A,71Bにより構成される。コンデンサ71Aは、端子31と、端子52との間に接続される。コンデンサ71Bは、端子41と、端子53との間に接続される。半導体スイッチ素子1A,1Bのスイッチング速度を、コンデンサ71A,71Bによって調整することができる。したがって、出力電圧の振動を抑制することができる。
図7は、図5に示したフィルタ70A,70Bの具体的な構成の他の例を示した図である。図7を参照して、フィルタ70Aは、コンデンサ71Aおよび抵抗素子72A(第2の抵抗素子)を含む。コンデンサ71Aおよび抵抗素子72Aは、端子31と端子52との間に電気的に直列に接続される。
同様に、フィルタ70Bは、コンデンサ71Bおよび抵抗素子72B(第2の抵抗素子)を含む。コンデンサ71Bおよび抵抗素子72Bは、端子41と端子53との間に電気的に直列に接続される。
抵抗素子6A、コンデンサ71A、および抵抗素子72Aは、ラグリードフィルタを構成する。同じく、抵抗素子6B、コンデンサ71B、および抵抗素子72Bは、ラグリードフィルタを構成する。
図8は、半導体スイッチ素子1Aの動作への帰還容量(ゲート−ドレイン間容量)の影響を説明するための図である。図8を参照して、端子51に接続された配線は、インダクタンス成分62を有する。半導体スイッチ素子1Aの動作時に、インダクタンス成分62および寄生容量61Aを介してゲートに電流(帰還信号)が流入する。
帰還信号の位相は、駆動信号の位相に対して遅れている。しかし帰還信号の位相の遅れが大きくなると、帰還信号の位相が、駆動信号の位相とほぼ同じになる(駆動信号の位相に対する、帰還信号の位相のずれが、360°の整数倍に近づく)可能性がある。この場合、半導体スイッチ素子1Aに正帰還が生じるので、半導体スイッチ素子1Aが発振する。したがって、半導体モジュール100の出力電圧に振動が生じる。特に、半導体スイッチ素子1Aの制御電極にコンデンサのみを接続した場合、位相遅れが大きくなることがある。なお、半導体スイッチ素子1Bにも同様の現象が生じる可能性がある。
図9は、図8に示した構成による効果を模式的に説明した電圧波形図である。図9を参照して曲線CV1は、半導体モジュール100の出力電圧の振動を表す。曲線CV2は、コンデンサ71A,71Bのみをそれぞれ端子31,41に接続したときの半導体モジュール100の出力電圧を示す。チップ抵抗6A,6B(ゲート抵抗)およびコンデンサ71A,71Bによって、電圧の振動の周期を長くすることができる。しかし、半導体スイッチ素子1A,1Bの帰還信号の位相を遅らせることで半導体スイッチ素子1A,1Bが発振状態になる場合がある。あるいは、電圧の振動を大幅に抑えることが難しい場合がある。
曲線CV3は、ラグリードフィルタを備えた半導体モジュール100の出力電圧の波形を示す。ラグリードフィルタは、半導体スイッチ素子1A,1Bの帰還信号の位相遅延を最小限に留めることにより発振を防止し、電圧の振動の周期を長くすることなく、電圧の振動を大幅に抑えることができる。したがって図7に示された構成によれば、半導体モジュール100の高速でのスイッチングを実現することができる。
以上のように実施の形態2によれば、フィルタによって、半導体モジュールの出力電圧をより安定させることができる。
なお、上記の各実施の形態において、半導体モジュールに含まれる半導体スイッチ素子の数は2である。しかし、半導体モジュールに含まれる半導体スイッチ素子の数は2に限定されない。たとえば単相インバータの場合、2つのアーム(直列に接続された2つの半導体スイッチ)が必要である。したがって、半導体モジュールは、4つの半導体スイッチを含んでもよい。三相インバータの場合、3つのアームが必要である。したがって、半導体モジュールは、6つの半導体スイッチを含んでもよい。あるいは、半導体モジュールに含まれる半導体スイッチ素子の数は1であってもよい。
上記の各実施の形態において、端子33,41の端子部(31C,41C)は、対応の信号配線部(31B,41B)と一体的に形成されている。これにより、端子部と信号配線部とが電気的に接続される。しかしながら、このように限定されない。たとえば信号配線部と端子部とが分離されるとともに、ワイヤ等によって、信号配線部と端子部とが電気的に接続されてもよい。
さらに、チップ抵抗6Aは、信号配線部の途中に設けられるよう限定されない。たとえば、チップ抵抗6Aの一方端が駆動IC4の端子T15に直接接続されて、チップ抵抗6Aの他方端が信号配線部31Aの一方端に接続されてもよい。この場合、信号配線部31A,31Bおよび端子部31Cを一体化することができる。また、チップ抵抗6Aは、単なる抵抗素子ではなく抵抗素子とダイオードとの並列回路であってもよい。抵抗素子に並列に接続されたダイオードの抵抗が順方向と逆方向とでは異なることを利用することにより、スイッチオン時とスイッチオフ時とで制御信号の変化を独立に設定する自由度を増すことができる。これにより高速スイッチ動作と、動作の安定とを両立させることが容易になる。チップ抵抗6Bについても同様である。
また、半導体スイッチ素子は、MOSFETに限定されない。たとえば半導体スイッチ素子がバイポーラトランジスタ、あるいはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)でもよい。たとえば半導体スイッチ素子がnpnバイポーラトランジスタの場合、上記の説明における「ドレイン」、「ゲート」、および「ソース」を「コレクタ」、「ベース」、および「エミッタ」にそれぞれ置き換えることができる。半導体スイッチ素子がn型IGBTの場合、上記の説明における「ドレイン」および「ソース」を「コレクタ」および「エミッタ」にそれぞれ置き換えることができる。
さらに、上記の各実施の形態では、n型の半導体スイッチ素子(nチャネルMOSFET)が適用される。しかし、n型の半導体スイッチ素子に代えてp型の半導体スイッチ素子を適用してもよい。
今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに制限されるものではない。本発明の範囲は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。
1A,1B 半導体スイッチ素子
2A,2B ダイオード素子
3A,3B ダイパッド
4 駆動IC
6A,6B チップ抵抗
7A,7B,8A,8B,9A,9B,10A,10B,10C ワイヤ
11A,11B ゲートパッド
12A,12B ソースパッド
21A,21B アノード電極
31〜36,41〜46,51〜53,T1〜T16 端子
31A,31B,41A,41B 信号配線部
31C,41C 端子部
61A,61B 寄生容量
62 インダクタンス成分
70A,70B フィルタ
71A,71B コンデンサ
72A,72B 抵抗素子
100 半導体モジュール
101 収容部材
CV1,CV2,CV3 曲線。

Claims (6)

  1. 制御電極を有する半導体スイッチ素子と、
    前記半導体スイッチ素子の前記制御電極に、前記半導体スイッチ素子を駆動するための駆動信号を与える駆動回路と、
    前記半導体スイッチ素子および前記駆動回路を収容する収容部材と、
    前記収容部材の内部から前記収容部材の外部に引出される外部端子とを備え、
    前記外部端子は、
    前記収容部材の内部に配置されて、前記駆動回路から出力された前記駆動信号を前記半導体スイッチ素子の前記制御電極に伝達する信号配線部と、
    前記収容部材の内部において前記信号配線部に電気的に接続されるとともに、前記収容部材の内部から前記収容部材の外部へと引出される端子部とを含む、半導体モジュール。
  2. 前記半導体モジュールは、
    前記収容部材の内部に配置されて、前記駆動回路と、前記半導体スイッチ素子の前記制御電極との間に、前記信号配線部に電気的に直列に接続される第1の抵抗素子をさらに備える、請求項1に記載の半導体モジュール。
  3. 前記半導体スイッチ素子は、ソース電極をさらに有し、
    前記半導体モジュールは、
    前記収容部材の内部に配置されて、前記半導体スイッチ素子の前記ソース電極に電気的に接続されるソース配線部と、
    前記収容部材の内部に配置されて、前記信号配線部と、前記半導体スイッチ素子の前記制御電極とを電気的に接続するワイヤとをさらに備え、
    前記信号配線部は、前記ソース配線部よりも前記半導体スイッチ素子の近くに配置される、請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール。
  4. 前記半導体モジュールは、
    前記端子部に電気的に接続されるコンデンサをさらに備える、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記半導体モジュールは、
    前記端子部に、前記コンデンサと電気的に直列に接続される第2の抵抗素子をさらに備える、請求項4に記載の半導体モジュール。
  6. 前記半導体スイッチ素子は、炭化珪素半導体素子である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体モジュール。
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