JP2019037119A - Semiconductor module - Google Patents

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Abstract

To inhibit voltage overshoot at the time of turn-off without increasing switching loss occurring during a mirror period.SOLUTION: In an upper arm of a semiconductor module comprising a high potential side switching element and a low potential side switching element which form the upper arm and a lower arm, respectively, free wheeling diodes connected to the switching elements in a reverse parallel manner, respectively and a high potential side drive circuit and a low potential side drive circuit which switch on or off the high potential side switching element and the low potential side switching element, an anode electrode of the free wheeling diode and a reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wire, and the anode electrode of the free wheeling diode is connected with a reference potential electrode of the high potential side switching element via a second wire having inductance.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、高電位側半導体スイッチング素子と低電位側スイッチング素子、及びこれらのスイッチング素子を駆動させる駆動回路を備え、高電位側の半導体スイッチング素子の基準電位と駆動回路の基準電位が接続された構成の半導体モジュールに関する。   The present invention includes a high-potential-side semiconductor switching element, a low-potential-side switching element, and a drive circuit that drives these switching elements, and the reference potential of the high-potential-side semiconductor switching element is connected to the reference potential of the drive circuit. The present invention relates to a semiconductor module having a configuration.

民生・産業用のモータ駆動用などに広く用いられるインバータ装置はMOSFETやIGBTなどの半導体スイッチング素子と、その半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路を有している。また、機器の小型化と保護回路内蔵のための手段として、前記の半導体スイッチング素子と駆動回路を一つにパッケージ化した半導体モジュールであるIntelligent Power Module(以下、「IPM」ともいう。) が用いられている。以下、半導体スイッチング素子として、IGBTを用いた場合について説明する。   Inverter devices widely used for driving motors for consumer and industrial use have semiconductor switching elements such as MOSFETs and IGBTs and drive circuits for driving the semiconductor switching elements. As a means for downsizing the device and incorporating a protection circuit, an intelligent power module (hereinafter also referred to as “IPM”), which is a semiconductor module in which the semiconductor switching element and the drive circuit are packaged together, is used. It has been. Hereinafter, a case where an IGBT is used as the semiconductor switching element will be described.

図1は、IPMの3相インバータ回路である。この図においてIPM1は高電位側IGBT2u,2v,2wとこれらのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ逆並列に接続された高電位側の還流ダイオード(以下、「FWD」ともいう。)4u,4v,4wと、低電位側IGBT3u,3v,3wとこれらのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ逆並列に接続された低電位側FWD5u,5v,5wを備える。また、IPM1は、高電位側IGBT2u,2v,2wをそれぞれ駆動する駆動回路(以下、「HVIC」ともいう。)6u,6v,6wと低電位側IGBT3u,3v,3wを駆動する駆動回路(以下、「LVIC」ともいう。)7を備えている。   FIG. 1 shows an IPM three-phase inverter circuit. In this figure, IPM 1 is a high-potential side free-wheeling diode (hereinafter also referred to as “FWD”) 4 u, 4 v, 4 w connected in reverse parallel between the high-potential side IGBTs 2 u, 2 v, 2 w and these collectors and emitters, respectively. , Low potential side IGBTs 3u, 3v, 3w and low potential side FWDs 5u, 5v, 5w respectively connected in reverse parallel between these collectors and emitters. The IPM 1 is a drive circuit (hereinafter also referred to as “HVIC”) 6 u, 6 v, 6 w for driving the high potential side IGBTs 2 u, 2 v, 2 w and a drive circuit for driving the low potential side IGBTs 3 u, 3 v, 3 w (hereinafter referred to as “HVIC”). , Also referred to as “LVIC”) 7.

図1において高電位側IGBT2u,2v,2wの基準電位となるエミッタ(E)とHVIC6u,6v,6wの基準電位(Vs)は、図9の参考例に示すようにボンディングワイヤ8u,8v,8wによって接続されている。なお、図9では、三相のうちU相の回路を代表して記載している。一般的にはこのボンディングワイヤは、ワイヤ長が短くなるように配線される。   In FIG. 1, the reference potential (Vs) of the emitter (E) and the HVICs 6u, 6v, 6w, which are the reference potentials of the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w, are the bonding wires 8u, 8v, 8w as shown in the reference example of FIG. Connected by. In FIG. 9, a U-phase circuit among the three phases is shown as a representative. Generally, this bonding wire is wired so that the wire length becomes short.

IPM1のインバータ装置では、高電位側IGBT2u,2v,2wと低電位側IGBT3u,3v,3wを交互にターンオン・ターンオフ動作をすることで電力変換を行なうため、図10に示すようにターンオン・ターンオフ動作時にスイッチング損失が発生する。図10において、図10(a)は一般的なスイッチング素子であるIGBTのターンオン、ターンオフ時のコレクタ・エミッタ間の電圧(VCE)、図10(b)は当該IGBTのコレクタ電流(IC)の波形を表す。このとき図10(c)に示すように、ターンオン・ターンオフ時のVCEとICが重なったタイミング(同図斜線部分)でスイッチング損失が発生する。   In the inverter apparatus of IPM1, power conversion is performed by alternately turning on and turning off the high potential side IGBTs 2u, 2v, and 2w and the low potential side IGBTs 3u, 3v, and 3w. Therefore, as illustrated in FIG. Sometimes switching losses occur. 10A is a waveform (VCE) between the collector and the emitter at the turn-on and turn-off of an IGBT which is a general switching element, and FIG. 10B is a waveform of the collector current (IC) of the IGBT. Represents. At this time, as shown in FIG. 10C, switching loss occurs at the timing (shaded portion in the figure) where VCE and IC overlap at the time of turn-on and turn-off.

一般的にIGBTは、ターンオン・ターンオフ動作において、ゲート・コレクタ間の寄生容量の電荷を充放電し、ゲート・エミッタ間の電圧(基準電位に対するゲート電圧)がフラットになる期間が発生する。以下、この期間を「ミラー期間」という。   In general, the IGBT charges and discharges the charge of the parasitic capacitance between the gate and the collector in the turn-on / turn-off operation, and a period in which the voltage between the gate and the emitter (gate voltage with respect to the reference potential) is flat occurs. Hereinafter, this period is referred to as a “mirror period”.

ミラー期間を図11に示す。図11(a)は、従来回路におけるIGBTのターンオフ時の電圧VCE、図11(b)はこのときの電流IC、図11(c)はゲート電圧VGEの波形である。図11(c)に示すように、ゲート電圧VGEがフラットになっている期間(t1〜t2)がミラー期間である。   The mirror period is shown in FIG. 11A shows the voltage VCE when the IGBT is turned off in the conventional circuit, FIG. 11B shows the current IC at this time, and FIG. 11C shows the waveform of the gate voltage VGE. As shown in FIG. 11C, a period (t1 to t2) in which the gate voltage VGE is flat is a mirror period.

一方、図12に示すように、一般に高電位側IGBT2u,2v,2wのエミッタとHVIC6u,6v,6wの基準電位間のインダクタンスLaは、低電位側IGBT3u,3v,3wのエミッタとLVIC7の基準電位間の配線のインダクタンスLbに比べて小さい。このため、図13(b)に示すように低電位側IGBT3u,3v,3wに比べて高電位側IGBT2u,2v,2wのターンオフ時のコレクタ電流の時間変化率di/dtは急峻になる。   On the other hand, as shown in FIG. 12, in general, the inductance La between the emitters of the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w and the reference potential of the HVICs 6u, 6v, 6w is the emitter potential of the low potential side IGBTs 3u, 3v, 3w and the reference potential of the LVIC7. It is smaller than the inductance Lb of the wiring between them. For this reason, as shown in FIG. 13B, the time change rate di / dt of the collector current at the time of turn-off of the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w becomes steeper than that of the low potential side IGBTs 3u, 3v, 3w.

直流電源電圧をVDC、配線等の寄生インダクタンスをLとすると、一般に跳ね上がり電圧VCE(surge)は次の式で表される。
VCE(surge)=VDC+L・di/dt
When the direct-current power supply voltage is VDC and the parasitic inductance of wiring or the like is L, the jumping voltage VCE (surge) is generally expressed by the following equation.
VCE (surge) = VDC + L · di / dt

したがって、図13(a)に示すように高電位側IGBT2u,2v,2wがターンオフするときは、IGBT2u,2v,2wのコレクタ・エミッタ間に印加される跳ね上がり電圧VCE(surge)も大きくなる。この跳ね上がり電圧VCE(surge)がIGBTの耐量を超えると、アバランシェ破壊を引き起こす。なお、図13では高電位側の回路の波形を実線、低電位側の回路の波形を破線で示している。   Therefore, as shown in FIG. 13A, when the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w are turned off, the jump voltage VCE (surge) applied between the collectors and emitters of the IGBTs 2u, 2v, 2w also increases. When the jump voltage VCE (surge) exceeds the withstand capability of the IGBT, avalanche breakdown is caused. In FIG. 13, the waveform of the circuit on the high potential side is indicated by a solid line, and the waveform of the circuit on the low potential side is indicated by a broken line.

アバランシェ破壊への対処方法としては、例えば特許文献1に示すように、IGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を大きくして、di/dtの傾きを緩やかにして、VCE(surge)の跳ね上がりを抑制するという方法が従来から知られている。   As a method for coping with avalanche breakdown, for example, as shown in Patent Document 1, the resistance value of the IGBT gate resistance Rg is increased, the slope of di / dt is moderated, and the jump of VCE (surge) is suppressed. This method is conventionally known.

しかしながら、IGBTのゲート抵抗Rgの値を大きくすると、図14に示すように、ゲート・エミッタ間の電圧がフラットになるミラー期間が長くなる。これにより、スイッチング損失が増大するという問題がある。   However, if the value of the gate resistance Rg of the IGBT is increased, the mirror period during which the gate-emitter voltage is flattened becomes longer as shown in FIG. As a result, there is a problem that switching loss increases.

また、特許文献2では、IGBT等のMOSゲート型半導体チップを内部に有するモジュール型素子において、半導体チップのエミッタとモジュール型素子のエミッタ端子との間にインダクタンスを介挿し、VCE(surge)の跳ね上がりを抑制する技術が開示されている。しかしながら、特許文献2は、半導体チップ単体を対象としており、還流ダイオードが逆並列接続された回路においてどのようにVCE(surge)の跳ね上がりを抑制するかについては何ら言及されていない。   Further, in Patent Document 2, in a module type element having a MOS gate type semiconductor chip such as an IGBT therein, an inductance is inserted between the emitter of the semiconductor chip and the emitter terminal of the module type element, and VCE (surge) jumps up. A technique for suppressing the above is disclosed. However, Patent Document 2 is intended for a single semiconductor chip, and does not mention how to suppress the jump of VCE (surge) in a circuit in which freewheeling diodes are connected in antiparallel.

また、特許文献3には、「高電位側半導体スイッチのエミッタと低電位側半導体スイッチのコレクタとの間の配線」と、「低電位側半導体スイッチ駆動のためのゲートへの配線」とを磁気結合させて逆起電力を得ることで、低電位側半導体スイッチのゲート・エミッタ間電圧Vgeを抑えてターンオン電流を抑制する電力変換装置が記載されている。しかしながら、特許文献3は、低電位側の半導体スイッチのターンオン電流抑制を目的としたものであり、ターンオフ時ではVgeを増加させるように逆起電力が発生するため、−di/dtの傾きは急峻になり、VCE(surge)が増大するという問題がある。   In Patent Document 3, “wiring between the emitter of the high potential side semiconductor switch and the collector of the low potential side semiconductor switch” and “wiring to the gate for driving the low potential side semiconductor switch” are magnetically described. There is described a power conversion device that suppresses a turn-on current by suppressing a gate-emitter voltage Vge of a low-potential-side semiconductor switch by combining them to obtain a counter electromotive force. However, Patent Document 3 is intended to suppress the turn-on current of the semiconductor switch on the low potential side. Since the back electromotive force is generated so as to increase Vge at the time of turn-off, the slope of −di / dt is steep. There is a problem that VCE (surge) increases.

特開2002−153043号公報JP 2002-153043 A 国際公開第98/53546号パンフレットInternational Publication No. 98/53546 Pamphlet 特許第6065744号公報Japanese Patent No. 6065744

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、還流ダイオードを有する半導体モジュールにおいて、ミラー期間に発生するスイッチング損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and in a semiconductor module having a freewheeling diode, a semiconductor capable of suppressing a jumping voltage at turn-off without increasing a switching loss generated in a mirror period. The purpose is to provide modules.

上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールにおいては、上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子(2u,2v,2w)および低電位側スイッチング素子(3u,3v,3w)、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード(4u,4v,4w,5u,5v,5w)、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路(6u,6v,6w)および低電位側駆動回路(7)を備えた半導体モジュール(1)であって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオード(4u,4v,4w)のアノード電極と前記高電位側駆動回路(6u,6v,6w)の基準電位電極(Vs)は第1の配線(9u,9v,9w)により直接接続され、
前記還流ダイオード(4u,4v,4w)のアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線(11u,11v,11w)を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the semiconductor module of the present invention, a high potential side switching element (2u, 2v, 2w) and a low potential side switching element (3u, 3v, 3w) forming the upper arm and the lower arm, respectively. Freewheeling diodes (4u, 4v, 4w, 5u, 5v, 5w) connected to these switching elements in antiparallel, and a high potential for driving the high potential side switching element and the low potential side switching element on / off. A semiconductor module (1) comprising a side drive circuit (6u, 6v, 6w) and a low potential side drive circuit (7),
In the upper arm, the anode electrode of the reflux diode (4u, 4v, 4w) and the reference potential electrode (Vs) of the high potential side drive circuit (6u, 6v, 6w) are the first wiring (9u, 9v, 9w). ) Directly connected,
The anode electrode of the freewheeling diode (4u, 4v, 4w) is electrically connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element via the second wiring (11u, 11v, 11w) having inductance. It is characterized by that.

本発明では、還流ダイオード(FWD)のアノード電極と高電位側スイッチング素子の基準電位電極が配線接続された構成の半導体モジュールにおいて、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極を直接配線接続する。   In the present invention, in the semiconductor module having a configuration in which the anode electrode of the freewheeling diode (FWD) and the reference potential electrode of the high potential side switching element are connected by wiring, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side driving circuit are directly connected. Connect the wiring.

これにより、還流ダイオードのアノード・高電位側スイッチング素子の基準電位間の配線(前記第2の配線)の有するインダクタンスを利用して、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することができる。   Thereby, the jumping voltage at the time of turn-off can be suppressed by using the inductance of the wiring (second wiring) between the anode of the free-wheeling diode and the reference potential of the high-potential side switching element.

ここで、「スイッチング素子の基準電位」とは、スイッチング素子を動作させるための基準となる電位であって、同スイッチング素子を動作させる駆動回路の基準電位と同電位となる部分を意味する。「直接接続され」とは、電極の端子に直接接続される場合の他、端子の近傍に引き出され、端子と同電位となる回路パターンを介して接続される場合も含む。また、「電気的に接続」とは、電気的に導通していれば足り、物理的に直接接続されている場合を含む趣旨である。   Here, the “reference potential of the switching element” is a reference potential for operating the switching element, and means a portion having the same potential as the reference potential of the drive circuit that operates the switching element. “Directly connected” includes not only the case of being directly connected to the terminal of the electrode but also the case of being connected via a circuit pattern that is drawn out in the vicinity of the terminal and has the same potential as the terminal. Further, “electrically connected” means that it is sufficient if it is electrically connected and includes a case where it is physically connected directly.

なお、第2の配線のインダクタンスは、当該配線の寄生インダクタンスを利用することにしてもよい。また、第1の配線をボンディングワイヤとすることにより、当該第1の配線のインダクタンスの調整を容易にすることができる。   Note that the parasitic inductance of the second wiring may be used as the inductance of the second wiring. In addition, by using the first wiring as a bonding wire, it is possible to easily adjust the inductance of the first wiring.

また、本発明の半導体モジュールは、上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路および低電位側駆動回路を備えた半導体モジュールであって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオードのアノード電極と前記高電位側駆動回路の基準電位電極は、インダクタンスを有する第1の配線により直接接続され、
前記還流ダイオードのアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と直接接続され、
前記高電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動した場合に、前記第1の配線と前記第2の配線との間で磁気結合が生じるように、前記第1の配線および前記第2の配線が設けられていることを特徴とする。
Further, the semiconductor module of the present invention includes a high-potential side switching element and a low-potential side switching element that respectively form an upper arm and a lower arm, a free-wheeling diode connected in antiparallel to these switching elements, and the high-potential side switching element. A semiconductor module comprising a switching element and a high-potential side driving circuit for driving on / off the low-potential side switching element and a low-potential side driving circuit,
In the upper arm, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wiring having inductance,
The anode electrode of the freewheeling diode is directly connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element through a second wiring having inductance,
The first wiring and the second wiring are provided so that magnetic coupling occurs between the first wiring and the second wiring when the high potential side switching element is driven on and off. It is characterized by being.

特に、本発明は、第1の配線および第2の配線は、同相に電流が流れ、磁気結合により逆起電力が発生するよう配置されていることを特徴とする。   In particular, the present invention is characterized in that the first wiring and the second wiring are arranged such that a current flows in the same phase and a back electromotive force is generated by magnetic coupling.

本発明では、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続する第1の配線と、還流ダイオードのアノード電極と高電位側スイッチング素子の基準電位電極とを接続する第2の配線とを電流同相で磁気結合させて、高電位側スイッチング素子のターンオフ時に第2の配線を介して第1の配線側に逆起電力を発生させる。そして、この逆起電力を利用して高電位側スイッチング素子のゲート駆動能力を低下させて、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)の抑制効果を高める。   In the present invention, the first wiring for connecting the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit, and the second wiring for connecting the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side switching element. Are electrically coupled in phase with each other to generate back electromotive force on the first wiring side via the second wiring when the high potential side switching element is turned off. And the gate drive capability of a high potential side switching element is reduced using this back electromotive force, and the suppression effect of the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off is improved.

なお、第1の配線および第2の配線の電流が同相で流れるように配線すれば、第1の配線は、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続することに代えて、高電位側スイッチング素子の基準電位電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続するようにしても良い。   If wiring is performed so that the currents of the first wiring and the second wiring flow in the same phase, the first wiring connects the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side driving circuit. Instead, the reference potential electrode of the high potential side switching element and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit may be connected.

好ましくは、第1の配線および第2の配線はワイヤであり、スイッチング素子の基準電位と同電位となる配線パターン上にボンディングするのが良い。   Preferably, the first wiring and the second wiring are wires, and are bonded to a wiring pattern having the same potential as the reference potential of the switching element.

本発明の半導体モジュールによれば、還流ダイオードを有する半導体モジュールにおいて、ミラー期間に発生するスイッチング損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することができる。   According to the semiconductor module of the present invention, the jumping voltage at the turn-off time can be suppressed without increasing the switching loss generated in the mirror period in the semiconductor module having the freewheeling diode.

従来および本発明の実施の形態による半導体モジュール(IPM)の回路図である。1 is a circuit diagram of a conventional semiconductor module (IPM) according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1の実施の形態における実施例1のIPMの要部結線図(図2(a))とその回路図(図2(b))である。It is the principal part wiring diagram (FIG.2 (a)) of IPM of Example 1 in the 1st Embodiment of this invention, and its circuit diagram (FIG.2 (b)). 参考例、実施例1によるIPMの高電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCE、電流IC、およびゲート電圧VGEの波形比較図である。6 is a waveform comparison diagram of a voltage VCE, a current IC, and a gate voltage VGE when the high potential side IGBT of the IPM according to the reference example and Example 1 is turned off. FIG. 実施例2(図2との比較例)のIGBTの回路図である。It is a circuit diagram of IGBT of Example 2 (comparative example with FIG. 2). 図2と図4に示す回路構成の効果の違いの説明図であり、図5(a)は図4の回路構成時の逆回復電流経路を示す図、図5(b)は、図2の回路構成時の逆回復電流経路を示す図である。FIG. 5A is a diagram illustrating a difference in effect between the circuit configurations illustrated in FIG. 2 and FIG. 4, FIG. 5A is a diagram illustrating a reverse recovery current path in the circuit configuration illustrated in FIG. 4, and FIG. It is a figure which shows the reverse recovery current path | route at the time of a circuit structure. 本発明の第2の実施の形態における実施例3のIPMの要部結線図(図6(a))とその回路図(図6(b))である。FIG. 6 is a connection diagram (FIG. 6 (a)) and a circuit diagram (FIG. 6 (b)) of an IPM of Example 3 according to the second embodiment of the present invention. 実施例3の作用効果の説明図である。It is explanatory drawing of the effect of Example 3. FIG. 参考例、実施例1、実施例3によるIPMの高電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCE、電流IC、およびゲート電圧VGEの波形比較図である。It is a waveform comparison figure of voltage VCE at the time of turn-off of high potential side IGBT of IPM by a reference example, Example 1, and Example 3, current IC, and gate voltage VGE. 参考例によるIPMの要部結線図(図9(a))とその回路図(図9(b))である。FIG. 9 is a main part connection diagram (FIG. 9A) and a circuit diagram (FIG. 9B) of an IPM according to a reference example. 一般的なスイッチング素子であるIGBTのターンオン、ターンオフ時のスイッチング損失の説明図であり、図10(a)はIGBTのコレクタ・エミッタ間の電圧(VCE)の波形図、図10(b)はIGBTのコレクタ電流(IC)の波形図、図10(c)はスイッチング損失の発生範囲の説明図である。It is explanatory drawing of the switching loss at the time of turn-on and turn-off of IGBT which is a general switching element, Fig.10 (a) is a waveform diagram of the collector-emitter voltage (VCE) of IGBT, FIG.10 (b) is IGBT. FIG. 10C is a diagram for explaining the generation range of the switching loss. ミラー期間の説明図であり、図11(a)は、IGBTのターンオフ時の電圧VCEの波形図、図11(b)はこのときの電流ICEの波形図、図11(c)はゲート電圧VGEの波形とミラー期間を示す図である。FIG. 11A is a waveform diagram of the voltage VCE when the IGBT is turned off, FIG. 11B is a waveform diagram of the current ICE at this time, and FIG. 11C is a gate voltage VGE. It is a figure which shows these waveforms and a mirror period. IGBTのエミッタからの配線の寄生インダクタンスの概念説明図である。It is a conceptual explanatory drawing of the parasitic inductance of the wiring from the emitter of IGBT. 高電位側IGBTと低電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCEの波形図(図13(a))と、電流ICの波形図(図13(b))である。FIG. 13 is a waveform diagram (FIG. 13A) of the voltage VCE at the time of turn-off of the high potential side IGBT and the low potential side IGBT, and a waveform diagram of the current IC (FIG. 13B). ゲート抵抗Rgの大きさとIGBTターンオフ時の跳ね上がり電圧およびミラー期間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size of gate resistance Rg, the jumping voltage at the time of IGBT turn-off, and a mirror period.

以下に本発明の第1の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態による半導体モジュール(IPM)1の全体回路は、従来と同様に図1によって表されるため、説明は割愛する。また、以下の説明は、高電位側の回路に関するものであるため、高電位/低電位の記載は省略する。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the entire circuit of the semiconductor module (IPM) 1 according to the present embodiment is represented by FIG. Further, since the following description relates to a circuit on the high potential side, description of high potential / low potential is omitted.

(実施例1)
図2(a)に実施例1によるIPM1のモジュール内部の結線構成、図2(b)にその回路構成を示す。なお、図2では、三相のうちU相の回路を代表して記載しているが、他の相についても同様に適用できることは言うまでもない。
Example 1
FIG. 2A shows a connection configuration inside the module of the IPM 1 according to the first embodiment, and FIG. 2B shows a circuit configuration thereof. In FIG. 2, the U-phase circuit among the three phases is shown as a representative, but it goes without saying that the same applies to other phases.

図2(a)に示すように、IPM1は、絶縁基板上にHVIC6u(6v,6w)と外部端子U(V,W)を配置し、その間にIGBT2u(2v,2w)とFWD4u(4v,4w)をHVIC6u(6v,6w)から順に配置して形成されている。   As shown in FIG. 2A, the IPM 1 has an HVIC 6u (6v, 6w) and an external terminal U (V, W) arranged on an insulating substrate, and an IGBT 2u (2v, 2w) and an FWD 4u (4v, 4w) between them. ) Are arranged in order from the HVIC 6u (6v, 6w).

そして、HVIC6u(6v,6w)の基準電位VsとFWD4u(4v,4w)のアノードとはボンディングワイヤ9u(9v,9w)で接続されている。また、HVIC6u(6v,6w)の出力OUTは、IGBT2u(2v,2w)のゲートとボンディングワイヤ10u(10v,10w)で接続されている。IGBT2u(2v,2w)のエミッタとFWD4u(4v,4w)のアノードはボンディングワイヤ11u(11v,11w)で接続され、FWD4u(4v,4w)のアノードと外部端子U(V,W)はボンディングワイヤ12u(12v,12w)で接続されている。また、IGBT2u(2v,2w)のコレクタとFWD4u(4v,4w)のカソードは、回路パターン16u(16v,16w)で繋がっている。なお、図2(a)において、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)、12u(12v,12w)が並行に2本設けられているが、ワイヤの電流容量により、任意の本数設けることができる。   The reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) and the anode of the FWD 4u (4v, 4w) are connected by a bonding wire 9u (9v, 9w). The output OUT of the HVIC 6u (6v, 6w) is connected to the gate of the IGBT 2u (2v, 2w) by the bonding wire 10u (10v, 10w). The emitter of IGBT 2u (2v, 2w) and the anode of FWD 4u (4v, 4w) are connected by bonding wire 11u (11v, 11w), and the anode of FWD 4u (4v, 4w) and external terminal U (V, W) are bonding wires. 12u (12v, 12w) is connected. The collector of the IGBT 2u (2v, 2w) and the cathode of the FWD 4u (4v, 4w) are connected by a circuit pattern 16u (16v, 16w). In FIG. 2A, two bonding wires 11u (11v, 11w) and 12u (12v, 12w) are provided in parallel, but any number can be provided depending on the current capacity of the wires.

各ボンディングワイヤやIGBT素子、FWD素子は図2(b)に示すインダクタンスを有する。図2(b)において、Li,LfはそれぞれIGBT2u(2v,2w)、FWD4u(4v,4w)の有する内部インダクタンス、L2はIGBT2u(2v,2w)のエミッタとFWD4u(4v,4w)のアノード間のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の配線インダクタンス、L4はIPM1の外部端子U(V,W)へのボンディングワイヤ12u(12v,12w)の配線インダクタンスを表している。また、L1’はFWD4u(4v,4wの)アノードとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のボンディングワイヤ9u(9v,9w)の配線インダクタンスである。   Each bonding wire, IGBT element, or FWD element has an inductance shown in FIG. In FIG. 2B, Li and Lf are the internal inductances of the IGBT 2u (2v and 2w) and FWD 4u (4v and 4w), respectively, and L2 is between the emitter of the IGBT 2u (2v and 2w) and the anode of the FWD 4u (4v and 4w). Wiring inductance of the bonding wire 11u (11v, 11w), L4 represents the wiring inductance of the bonding wire 12u (12v, 12w) to the external terminal U (V, W) of the IPM1. L1 'is the wiring inductance of the bonding wire 9u (9v, 9w) between the anode of the FWD 4u (4v, 4w) and the reference potential of the HVIC 6u (6v, 6w).

次に、この半導体モジュール(IPM)1の結線構成の作用効果について図9の参考例と比較しながら説明する。   Next, the effect of the connection configuration of the semiconductor module (IPM) 1 will be described in comparison with the reference example of FIG.

図2に示す本実施例のIPM1の結線構成では、IGBT2u(2v,2w)の基準電位となるエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsとの間のインダクタンスは、Li+L2+L1’となる。一方、図9に示す参考例の結線構成では、IGBT2u(2v,2w)のエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vs間のインダクタンスは、Li+L1である。通常は、L1とL1’はほぼ同じ値か、図2(a)のように、HVIC6u(6v,6w)とFWD4u(4v,4wの)の間にIGBT2u(2v,2w)を配置した構成の下では、L1’の方が大きな値となる。このため、本実施例による結成構成は、参考例よりも少なくともインダクタンスL2分だけ、IGBT2u(2v,2w)のエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vs間のインダクタンスが大きくなる。すなわち参考例に比べて本実施例の結線構成の方が、IGBTターンオフ時の−di/dtによって、少なくともインダクタンスL2に起因する分だけ大きな逆起電力が発生し、IGBT2u(2v,2w)のゲートがバイアスされることになる。これにより本実施例は参考例に比べて、IGBTターンオフ時のdi/dtの傾きが緩やかになり、その分、跳ね上がり電圧の抑制効果を高めることができる。   In the connection configuration of the IPM 1 of this embodiment shown in FIG. 2, the inductance between the emitter E, which is the reference potential of the IGBT 2u (2v, 2w), and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is Li + L2 + L1 ′. On the other hand, in the connection configuration of the reference example shown in FIG. 9, the inductance between the emitter E of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is Li + L1. Normally, L1 and L1 ′ are substantially the same value, or, as shown in FIG. 2A, IGBT 2u (2v, 2w) is arranged between HVIC 6u (6v, 6w) and FWD 4u (4v, 4w). Below, L1 'becomes a larger value. For this reason, the configuration according to the present embodiment increases the inductance between the emitter E of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) by at least the inductance L2 as compared with the reference example. That is, compared with the reference example, the connection configuration of this embodiment generates a large back electromotive force at least by the inductance L2 due to -di / dt at the time of IGBT turn-off, and the gate of the IGBT 2u (2v, 2w). Will be biased. Thereby, compared with the reference example, the present example has a gentler slope of di / dt when the IGBT is turned off, and the effect of suppressing the jumping voltage can be increased accordingly.

ちなみに、インダクタンス成分Lによる起電力は、L・di/dtで計算することができるので、di/dt=1000A/μsのときに、上記インダクタンスL2が5〜10nHの配線インダクタンスを有するボンディングワイヤを用いると、5〜10V程度の跳ね上がり電圧抑制効果が得られることになる。   Incidentally, since the electromotive force due to the inductance component L can be calculated by L · di / dt, when di / dt = 1000 A / μs, a bonding wire having a wiring inductance with the inductance L2 of 5 to 10 nH is used. Thus, the effect of suppressing the jumping voltage of about 5 to 10 V is obtained.

図3に本実施例の結線構成におけるIGBT2u(2v,2w)のターンオフ時の電圧VCE、電流IC、電圧VGEの時間変化波形を参考例と比較して示す。図3において、実線は本実施例の波形、破線は参考例の波形である。図3(a)に示すように、本実施例による回路の跳ね上がり電圧VCE(surge)のピーク値は、参考例の回路による跳ね上がり電圧VCE(surge)のピーク値よりも低くなった。すなわち、本実施例による回路は、t1〜t2(ミラー期間)およびその後のt3までのdV/dtは参考例と同等であり、かつその後の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。
また、図3(b)に示すように、本実施例は参考例に比べてdi/dtの傾きは緩やかになる。また図3(c)に示すように、両回路のミラー期間(t1〜t2)は同等である。
FIG. 3 shows time-varying waveforms of the voltage VCE, the current IC, and the voltage VGE at the time of turn-off of the IGBT 2u (2v, 2w) in the connection configuration of this embodiment in comparison with the reference example. In FIG. 3, the solid line is the waveform of this embodiment, and the broken line is the waveform of the reference example. As shown in FIG. 3A, the peak value of the jump voltage VCE (surge) of the circuit according to this example is lower than the peak value of the jump voltage VCE (surge) of the circuit of the reference example. That is, in the circuit according to the present embodiment, dV / dt from t1 to t2 (mirror period) and thereafter to t3 is equal to that of the reference example, and the subsequent jump voltage VCE (surge) can be suppressed.
Further, as shown in FIG. 3B, the slope of di / dt is gentler in this embodiment than in the reference example. Moreover, as shown in FIG.3 (c), the mirror period (t1-t2) of both circuits is equivalent.

以上の如く、本実施例による半導体モジュール(IPM)の結線構成によれば、スイッチング素子(IGBT)に対し、逆並列に還流ダイオード(FWD)を接続した回路構成において、IGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を変えずにIGBTのエミッタ側のインダクタンス成分を増加させるので、ミラー期間は長くなることはなく、ミラー期間中のスイッチング損失は従来と同程度に維持したまま、跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。   As described above, according to the connection configuration of the semiconductor module (IPM) according to the present embodiment, the resistance of the gate resistance Rg of the IGBT in the circuit configuration in which the free-wheeling diode (FWD) is connected in antiparallel to the switching element (IGBT). Since the inductance component on the emitter side of the IGBT is increased without changing the value, the mirror period is not lengthened, and the jumping voltage VCE (surge) is suppressed while the switching loss during the mirror period is maintained at the same level as before. can do.

なお、図2の結線構成において、FWD4u(4v,4w)のアノード電極とHVIC6u(6v,6w)の基準電位電極間をボンディングワイヤ9U(9v,9w)を用いて直接接続することができる。これにより、インダクタンス値(L1’)が調整されたボンディングワイヤを用いることで、IGBT2u(2v,2w)のエミッタとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のインダクタンスLi+L2+L1’を従来よりも十分に大きな値にして、IGBTターンオフ時のdi/dtの傾きを従来よりも緩やかな所望の値に調整することができる。FWD4u(4v,4w)のアノードとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のインダクタンスL1’は、インダクタを介挿してもよいが、ワイヤの寄生インダクタンスを利用することもできる。   In the connection configuration of FIG. 2, the anode electrode of the FWD 4u (4v, 4w) and the reference potential electrode of the HVIC 6u (6v, 6w) can be directly connected using the bonding wire 9U (9v, 9w). As a result, by using a bonding wire whose inductance value (L1 ′) is adjusted, the inductance Li + L2 + L1 ′ between the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential of the HVIC 6u (6v, 6w) is sufficiently larger than the conventional one. The slope of di / dt at the time of IGBT turn-off can be adjusted to a desired value that is gentler than the conventional value. An inductance L1 'between the anode of the FWD 4u (4v, 4w) and the reference potential of the HVIC 6u (6v, 6w) may be inserted, but a parasitic inductance of a wire can also be used.

特に、図2のようにHVIC6u(6v,6w)とFWD4u(4v,4w)との間にIGBT2u(2v,2w)を配置する構成においては、HVIC6u(6v,6w)の基準電位端子(Vs)とFWD4u(4v,4w)のアノード端子とをボンディングワイヤ9U(9v,9w)で直接接続することにより、ボンディングワイヤの寄生インダクタンス(L1’)が大きくなるので、簡便に跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。   In particular, in the configuration in which the IGBT 2u (2v, 2w) is arranged between the HVIC 6u (6v, 6w) and the FWD 4u (4v, 4w) as shown in FIG. 2, the reference potential terminal (Vs) of the HVIC 6u (6v, 6w). Since the parasitic inductance (L1 ′) of the bonding wire is increased by directly connecting the FWD 4u (4v, 4w) and the anode terminal of the FWD 4u (4v, 4w) by the bonding wire 9U (9v, 9w), the jumping voltage VCE (surge) can be easily obtained. Can be suppressed.

この他IGBT2u(2v,2w)のエミッタ電極とFWD4u(4v,4w)のアノード電極とをボンディングワイヤを用いて接続することにより、インダクタンスL1’のみならずインダクタンスL2も調整可能にすることができる。   In addition, by connecting the emitter electrode of the IGBT 2u (2v, 2w) and the anode electrode of the FWD 4u (4v, 4w) using a bonding wire, not only the inductance L1 'but also the inductance L2 can be adjusted.

(実施例2)
図2は、HVIC6u(6v,6w)の基準電位電極とFWD4u(4v,4w)のアノード電極とを直接ワイヤボンディングした構成であるが、図4に示すように、IGBT2u(2v,2w)のエミッタ電極からHVIC6u(6v,6w)の基準電位間に外付けインダクタンスLexを介挿することもできる。図4の回路構成の場合、IGBT2u(2v,2w)の基準電位であるエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsとの間のインダクタンスは、Li+Lex+L1となる。すなわち、図9に示す参考例による回路構成に比べて、IGBT2u(2v,2w)のエミッタ側のインダクタンス成分は(Lex)分だけ大きくなる。その分IGBTゲートのバイアスが大きくなり、di/dtを抑制することができる。
(Example 2)
FIG. 2 shows a configuration in which a reference potential electrode of HVIC 6u (6v, 6w) and an anode electrode of FWD 4u (4v, 4w) are directly wire-bonded. As shown in FIG. 4, the emitter of IGBT 2u (2v, 2w) An external inductance Lex can be inserted between the electrode and the reference potential of the HVIC 6u (6v, 6w). In the case of the circuit configuration of FIG. 4, the inductance between the emitter E, which is the reference potential of the IGBT 2u (2v, 2w), and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is Li + Lex + L1. That is, compared to the circuit configuration according to the reference example shown in FIG. 9, the inductance component on the emitter side of the IGBT 2u (2v, 2w) is increased by (Lex). Accordingly, the bias of the IGBT gate is increased, and di / dt can be suppressed.

このように図4に示す結線構成でも、図2の結線構成と同様にIGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を変えずに、エミッタ側のインダクタンス成分のみを増加させることができる。したがって、この実施例においても、ミラー期間に発生する損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。   4 can increase only the inductance component on the emitter side without changing the resistance value of the gate resistance Rg of the IGBT as in the connection configuration of FIG. Therefore, also in this embodiment, the jump voltage VCE (surge) at the turn-off time can be suppressed without increasing the loss generated in the mirror period.

ところで、図4の結線構成は、図2の結線構成に比べて、逆回復電流が大きくなる。ここで、逆回復電流とは、還流ダイオード(FWD)に印加される電圧が順方向電圧から逆方向電圧に切り替わった瞬間に流れる電流であり、その大きさは還流ダイオード(FWD)の電流経路に存在するインダクタンスによって決まる。   By the way, the reverse recovery current of the connection configuration of FIG. 4 is larger than that of the connection configuration of FIG. Here, the reverse recovery current is a current that flows at the moment when the voltage applied to the freewheeling diode (FWD) is switched from the forward voltage to the reverse voltage, and its magnitude is in the current path of the freewheeling diode (FWD). It depends on the inductance present.

図4の回路構成による逆回復電流時のインダクタンスは、図5(a)にその電流経路を示すように、Lf+L2+Lex+L4となる。一方、図9の回路構成による逆回復電流時のインダクタンスは、Lf+L4である。したがって、図4に示す参考例の回路構成によれば、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制するという効果はあるものの、FWDのリカバリ動作時の跳ね上がり電圧が大きくなるという欠点がある。   The inductance at the time of reverse recovery current according to the circuit configuration of FIG. 4 is Lf + L2 + Lex + L4, as shown in FIG. 5A. On the other hand, the inductance at the time of reverse recovery current according to the circuit configuration of FIG. 9 is Lf + L4. Therefore, according to the circuit configuration of the reference example shown in FIG. 4, although there is an effect of suppressing the jump voltage VCE (surge) at turn-off, there is a drawback that the jump voltage at the time of the FWD recovery operation becomes large.

一方、図2に示した回路構成では、逆回復電流時のインダクタンスは、図5(b)にその電流経路を示すように、Lf+L4であり、図4の参考例と変わらない。したがって、図2の回路構成には、FWDのリカバリ動作時の跳ね上がり電圧が参考例よりも大きくなるという欠点はない。   On the other hand, in the circuit configuration shown in FIG. 2, the inductance at the time of reverse recovery current is Lf + L4 as shown in FIG. 5B, and is not different from the reference example of FIG. Therefore, the circuit configuration of FIG. 2 does not have the drawback that the jump voltage during the FWD recovery operation is larger than that of the reference example.

以上説明したように、本実施の形態による半導体モジュールによれば、IGBTのエミッタ側のインダクタンスを大きくすることにより、ミラー期間に発生する損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。さらに、還流ダイオード(FWD)のアノード電極と駆動回路(HVIC)の基準電位電極間をボンディングワイヤにより直接接続するという図2の回路構成によれば、リカバリ動作時の跳ね上がり電圧を増加させることなく、これを実現することができ実用多大なる効果を奏するものである。   As described above, according to the semiconductor module according to the present embodiment, by increasing the inductance on the emitter side of the IGBT, the jump voltage VCE (surge) at the turn-off time is increased without increasing the loss generated in the mirror period. Can be suppressed. Furthermore, according to the circuit configuration of FIG. 2 in which the anode electrode of the freewheeling diode (FWD) and the reference potential electrode of the drive circuit (HVIC) are directly connected by a bonding wire, the jumping voltage during the recovery operation is not increased. This can be realized and has a great practical effect.

次に本発明の第2の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、図2(a)に例示する結線構成に対して、インダクタンスL1’を有するボンディングワイヤ9u(9v,9w)とインダクタンスL2を有するボンディングワイヤ11u(11v,11w)とを近接配置し、両インダクタンスL1’,L2の磁気結合により、IGBT2u(2v,2w)とのターンオフ時にボンディングワイヤ9u(9v,9w)のインダクタンスL1’に逆起電力を生じさせ、これを利用して、IGBT2u(2v,2w)のゲート駆動能力を低下させて、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制するものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the present embodiment, a bonding wire 9u (9v, 9w) having an inductance L1 ′ and a bonding wire 11u (11v, 11w) having an inductance L2 are disposed close to the connection configuration illustrated in FIG. Then, due to the magnetic coupling of both the inductances L1 ′ and L2, a back electromotive force is generated in the inductance L1 ′ of the bonding wire 9u (9v, 9w) at the time of turn-off with the IGBT 2u (2v, 2w), and this is used to generate the IGBT 2u. The gate drive capability of (2v, 2w) is reduced to suppress the jump voltage VCE (surge) at the turn-off time.

(実施例3)
図6(a)に本実施の形態の実施例3によるIPM1のモジュール内部の結線構成、図6(b)にその回路構成を示す。なお、図6(a)では、三相のうちU相の回路を代表して記載しているが、他の相についても同様に適用できることは言うまでもない。
(Example 3)
FIG. 6A shows a connection configuration inside the module of the IPM 1 according to Example 3 of the present embodiment, and FIG. 6B shows its circuit configuration. In FIG. 6A, the U-phase circuit among the three phases is shown as a representative, but it goes without saying that the same applies to other phases.

本実施の形態による結線構成の特徴は、具体的にはボンディングワイヤ9u(9v,9w)をFWD4u(4v,4w)の2本のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の両端子の略中央にボンディングしたことである。このようにボンディングワイヤ9u(9v,9w)のFWD4u(4v,4w)上の接続位置を定めれば、HVIC6u(6v,6w)の基準電位VsからFWD4u(4v,4w)に至るボンディングワイヤ9u(9v,9w)を2本のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の間を通すことができ、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)が一定値以下の間隔で並行して配線される区間(以下、「並行配線区間」という。)を設けることが可能となる。また、図6(a)の結線構成によれば、並行配線区間において、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)を夫々流れる電流は同相となる。   Specifically, the connection configuration according to the present embodiment is characterized in that the bonding wire 9u (9v, 9w) is bonded to approximately the center of both terminals of the two bonding wires 11u (11v, 11w) of the FWD 4u (4v, 4w). It is that. If the connection position of the bonding wire 9u (9v, 9w) on the FWD 4u (4v, 4w) is determined in this manner, the bonding wire 9u (from the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) to the FWD 4u (4v, 4w) is obtained. 9v, 9w) can be passed between the two bonding wires 11u (11v, 11w), and the bonding wires 9u (9v, 9w), 11u (11v, 11w) are wired in parallel at intervals of a predetermined value or less. Sections (hereinafter referred to as “parallel wiring sections”) can be provided. Further, according to the connection configuration of FIG. 6A, in the parallel wiring section, the currents flowing through the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) are in phase.

ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)は、夫々インダクタンスL1’、L2を有する。このインダクタンスは、ワイヤの寄生インダクタンスを利用することができる。この場合、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔や並行配線区間の長さは、相互インダクタンスや磁気結合による逆起電力の大きさに影響を与える。すなわち、両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔を狭くし、あるいは並行配線区間を長くすることにより、両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の相互インダクタンスやそれにより発生する逆起電力を大きくすることができる。   The bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) have inductances L1 'and L2, respectively. As this inductance, the parasitic inductance of the wire can be used. In this case, the interval between the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) and the length of the parallel wiring section affect the magnitude of the counter electromotive force due to mutual inductance and magnetic coupling. That is, the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) are narrowed by narrowing the interval between the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) or lengthening the parallel wiring section. The mutual inductance and the back electromotive force generated thereby can be increased.

次に、図7を用いて、図6(a)の結線構成の作用効果について説明する。図7は、IPM1の構成要素のうち、磁気結合の説明に必要な要素のみを表している。この図において、ボンディングワイヤ9u(9v,9w)を介してHVIC6u(6v,6w)の基準電位電極(Vs)から流れ出す電流(i1)とIGBT2u(2v,2w)のエミッタから流れ出す電流(i2)は同一方向の矢印で示すように同相になっている。   Next, the effect of the connection configuration of FIG. 6A will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows only elements necessary for explaining the magnetic coupling among the constituent elements of the IPM 1. In this figure, the current (i1) flowing out from the reference potential electrode (Vs) of the HVIC 6u (6v, 6w) and the current (i2) flowing out from the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) through the bonding wires 9u (9v, 9w) They are in phase as indicated by the arrows in the same direction.

この回路構成において、IGBT2u(2v,2w)がターンオフすると、電流(i2)が減少方向へ変化する。これにより、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)との相互インダクタンスにより磁気結合されたボンディングワイヤ9u(9v,9w)に逆起電力(=相互インダクタンスの値×電流i2の時間変化分)が発生して、その分、HVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsに対してIGBT2u(2v,2w)のエミッタの電位が相対的に上昇する。その結果として、IGBT2u(2v,2w)のゲートがバイアスされることになり、HVIC6u(6v,6w)のゲート駆動能力が低下する。見方を変えれば、図6(a)の結線構成では、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)とボンディングワイヤ9u(9v,9w)は互いのインダクタンスL2,L1’を増加させるように磁気結合が働く。これにより、図8の一点鎖線で示すように、ターンオフ時のコレクタ電流の時間変化率di/dtは緩やかになり、その結果VCE(surge)の跳ね上がりが抑制される。   In this circuit configuration, when the IGBT 2u (2v, 2w) is turned off, the current (i2) changes in a decreasing direction. As a result, back electromotive force (= value of mutual inductance × time change of current i2) is generated in the bonding wire 9u (9v, 9w) magnetically coupled by the mutual inductance with the bonding wire 11u (11v, 11w). Accordingly, the potential of the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) is relatively increased with respect to the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w). As a result, the gate of the IGBT 2u (2v, 2w) is biased, and the gate drive capability of the HVIC 6u (6v, 6w) is reduced. In other words, in the connection configuration of FIG. 6A, the bonding wires 11u (11v, 11w) and the bonding wires 9u (9v, 9w) are magnetically coupled so as to increase their inductances L2, L1 '. As a result, as indicated by the one-dot chain line in FIG. 8, the time change rate di / dt of the collector current at the time of turn-off becomes moderate, and as a result, the jump of VCE (surge) is suppressed.

実用的には、通常の電流容量を有する両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔は、3mm程度以下(好ましくは、1.5mm以下)、並行配線区間は、10mm以上(好ましくは15mm以上)が望ましい。
この条件下では、di/dt=1000A/μsのとき、従来の構成(参考例)に比べて約20V程度のVsurge抑制効果が期待できる。
Practically, the distance between the bonding wires 9u (9v, 9w), 11u (11v, 11w) having a normal current capacity is about 3 mm or less (preferably 1.5 mm or less), and the parallel wiring section is 10 mm. The above is preferable (preferably 15 mm or more).
Under this condition, when di / dt = 1000 A / μs, a Vsurge suppression effect of about 20 V can be expected as compared with the conventional configuration (reference example).

なお、図6では、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)を2本に分け、その略中央にボンディングワイヤ9u(9v,9w)を配置したが、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の分割本数はこれに限らず、任意の数(n)(nは2以上の整数)に分け、(n−1)本の数のボンディングワイヤ9u(9v,9w)をそれぞれ各ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の間に配置するようにしても良い。一方、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の電流容量が十分あれば本数は1本でも良い。この場合、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の接続FWD4u(4v,4w)上の接続位置に近接させて、ボンディングワイヤ9u(9v,9w)を接続する。   In FIG. 6, the bonding wire 11u (11v, 11w) is divided into two pieces, and the bonding wire 9u (9v, 9w) is arranged at the approximate center, but the number of the bonding wires 11u (11v, 11w) is divided. The number of bonding wires 9u (9v, 9w) is divided into an arbitrary number (n) (n is an integer of 2 or more), and each of the bonding wires 11u (11v, 11w) It may be arranged between them. On the other hand, if the current capacity of the bonding wires 11u (11v, 11w) is sufficient, the number may be one. In this case, the bonding wire 9u (9v, 9w) is connected in proximity to the connection position on the connection FWD 4u (4v, 4w) of the bonding wire 11u (11v, 11w).

以上説明したように本実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では、ゲート抵抗値を変えず、「IGBTのエミッタ端子からFWDのアノード端子間の配線」と、「HVICの基準電位端子(Vs)からFWDのアノード端子間の配線」又は「HVICの基準電位端子(Vs)からIGBTのエミッタ端子間の配線」とを磁気結合させる回路としている。このため、IGBTのオフ時に誘導起電力が発生することでIGBTのゲート駆動能力が下がり、図8に示すように、−di/dtを低減することができる。このため、スイッチング損失を増大させることなく、VCE(surge)を抑制することが可能となる。また第1の実施の形態に比べて、短いワイヤ長で同等のVCE(surge)抑制効果を奏するため、IPMのパッケージを小型化することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects can be obtained. That is, in this embodiment, without changing the gate resistance value, “wiring between the emitter terminal of the IGBT and the anode terminal of the FWD” and “wiring between the reference potential terminal (Vs) of the HVIC and the anode terminal of the FWD” or A circuit that magnetically couples “wiring between the reference potential terminal (Vs) of the HVIC and the emitter terminal of the IGBT”. For this reason, when the induced electromotive force is generated when the IGBT is turned off, the gate drive capability of the IGBT is lowered, and −di / dt can be reduced as shown in FIG. 8. For this reason, VCE (surge) can be suppressed without increasing the switching loss. In addition, compared with the first embodiment, an equivalent VCE (surge) suppression effect is achieved with a short wire length, and thus the IPM package can be downsized.

本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実現することができる。例えば、上記の説明では、半導体スイッチング素子としてNPN型のIGBTを例にして、エミッタ端子がIGBTの基準電位電極となる回路について説明したが、PNP型のIGBTを用いてコレクタ端子をIGBTの基準電位電極とした回路についても同様に適用可能であることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications without departing from the scope of the invention. For example, in the above description, an NPN type IGBT is used as an example of a semiconductor switching element, and a circuit in which an emitter terminal is an IGBT reference potential electrode has been described. However, a PNP type IGBT is used to connect a collector terminal to an IGBT reference potential. Needless to say, the present invention can also be applied to a circuit using electrodes.

また、IGBT以外の半導体スイッチング素子、たとえばバイポーラトランジスタやMOSFETを用いる場合でも同様に適用することができる。なお、NMOSを用いる場合は、その基準電位電極はソース電極となり、PMOSを用いる場合は、その基準電位電極はドレイン電極となる。   Further, the present invention can be similarly applied even when a semiconductor switching element other than the IGBT, for example, a bipolar transistor or a MOSFET is used. When using NMOS, the reference potential electrode is a source electrode, and when using PMOS, the reference potential electrode is a drain electrode.

ボンディングワイヤは、FWDのアノード端子、HVICの基準電位端子、IGBTの基準電位端子と夫々同電位となる配線パターン上にボンディングするのがよい。スイッチング素子、または、還流用ダイオード、もしくはその両方を珪素、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ダイヤモンドの何れかを用いて構成することができる。   Bonding wires are preferably bonded on wiring patterns that have the same potential as the anode terminal of the FWD, the reference potential terminal of the HVIC, and the reference potential terminal of the IGBT. The switching element and / or the reflux diode can be formed using any of silicon, silicon carbide, a gallium nitride material, a gallium oxide material, and diamond.

1 半導体モジュール(IPM)
2u,2v,2w 高電位側IGBT(高電位側スイッチング素子)
3u,3v,3w 低電位側IGBT(低電位側スイッチング素子)
4u,4v,4w 高電位側還流ダイオード(FWD)
5u,5v,5w 低電位側還流ダイオード(FWD)
6u,6v,6w 高電位側駆動回路(HVIC)
7 低電位側駆動回路(LVIC)
9u,9v,9w ボンディングワイヤ(第1の配線)
11u,11v,11w ボンディングワイヤ(第2の配線)
1 Semiconductor module (IPM)
2u, 2v, 2w High potential side IGBT (High potential side switching element)
3u, 3v, 3w Low potential side IGBT (Low potential side switching element)
4u, 4v, 4w High-potential-side reflux diode (FWD)
5u, 5v, 5w Low-potential-side reflux diode (FWD)
6u, 6v, 6w High potential side drive circuit (HVIC)
7 Low-potential side drive circuit (LVIC)
9u, 9v, 9w Bonding wire (first wiring)
11u, 11v, 11w Bonding wire (second wiring)

Claims (7)

上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路および低電位側駆動回路を備えた半導体モジュールであって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオードのアノード電極と前記高電位側駆動回路の基準電位電極は第1の配線により直接接続され、
前記還流ダイオードのアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
A high-potential side switching element and a low-potential side switching element that respectively form an upper arm and a lower arm, freewheeling diodes connected in antiparallel to these switching elements, and the high-potential side switching element and the low-potential side switching element A high-potential side drive circuit for driving on / off and a low-potential side drive circuit,
In the upper arm, the anode electrode of the reflux diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wiring,
The semiconductor module according to claim 1, wherein an anode electrode of the freewheeling diode is electrically connected to a reference potential electrode of the high potential side switching element through a second wiring having inductance.
前記第2の配線のインダクタンスは、当該配線の寄生インダクタンスであることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the inductance of the second wiring is a parasitic inductance of the wiring. 前記第1の配線はワイヤであり、前記還流ダイオードのアノード電極にボンディングされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the first wiring is a wire and is bonded to an anode electrode of the free-wheeling diode. 前記第1の配線はインダクタンスを有し、
前記高電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動した場合に、前記第1の配線と前記第2の配線との間で磁気結合が生じるように、前記第1の配線および前記第2の配線が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体モジュール。
The first wiring has an inductance;
The first wiring and the second wiring are provided so that magnetic coupling occurs between the first wiring and the second wiring when the high potential side switching element is driven on and off. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor module is provided.
上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路および低電位側駆動回路を備えた半導体モジュールであって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオードのアノード電極と前記高電位側駆動回路の基準電位電極は、インダクタンスを有する第1の配線により直接接続され、
前記還流ダイオードのアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と直接接続され、
前記高電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動した場合に、前記第1の配線と前記第2の配線との間で磁気結合が生じるように、前記第1の配線および前記第2の配線が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
A high-potential side switching element and a low-potential side switching element that respectively form an upper arm and a lower arm, freewheeling diodes connected in antiparallel to these switching elements, and the high-potential side switching element and the low-potential side switching element A high-potential side drive circuit for driving on / off and a low-potential side drive circuit,
In the upper arm, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wiring having inductance,
The anode electrode of the freewheeling diode is directly connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element through a second wiring having inductance,
The first wiring and the second wiring are provided so that magnetic coupling occurs between the first wiring and the second wiring when the high potential side switching element is driven on and off. The semiconductor module characterized by the above-mentioned.
前記第1の配線と前記第2の配線は電流同相となるように配設されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 5, wherein the first wiring and the second wiring are arranged so as to have an in-phase current. 前記第1の配線のインダクタンスおよび前記第2の配線のインダクタンスは、それぞれ配線の寄生インダクタンスであることを特徴とする請求項請求項5又は6に記載の半導体モジュール。   7. The semiconductor module according to claim 5, wherein the inductance of the first wiring and the inductance of the second wiring are parasitic inductances of the wiring, respectively.
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