JP2023044095A - 双方向スイッチ回路および電力変換装置 - Google Patents

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electrode
switch circuit
bidirectional switch
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electrically connected
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English (en)
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晃一 増田
Koichi Masuda
光晴 田畑
Mitsuharu Tabata
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】小型化が可能な双方向スイッチ回路および電力変換装置を得ることを目的とする。【解決手段】本開示に係る双方向スイッチ回路は、第１上面電極と第１パターンと電気的に接続された第１裏面電極を有する第１半導体装置と、第２上面電極と第２パターンと電気的に接続された第２裏面電極を有する第２半導体装置と、第１アノード電極と前記第１パターンと電気的に接続された第１カソード電極を有する第１ダイオードと、第２アノード電極と前記第２パターンと電気的に接続された第２カソード電極を有する第２ダイオードと、前記第１上面電極と前記第２アノード電極を電気的に接続する第１配線と、前記第２上面電極と前記第１アノード電極を電気的に接続する第２配線と、を備え、前記第１上面電極と、前記第２上面電極と、前記第１アノード電極と、前記第２アノード電極は、互いに電気的に接続されている。【選択図】図２

Description

本開示は、双方向スイッチ回路および電力変換装置に関する。
特許文献１には、双方向スイッチモジュールが開示されている。この双方向スイッチモジュールは、熱拡散板となる第１金属ベース板に、双方向スイッチ回路の第１節点と接続される接合電極を有する第１半導体装置が載置される。また、同じく熱拡散板となる第２金属ベース板に、双方向スイッチ回路の第２節点と接続される接合電極を有する第２半導体装置が載置される。第１半導体装置の接合電極は、第１金属ベース板と同一電位とされている。また、第２半導体装置の接合電極は、第２金属ベース板と同一電位とされている。そして、各金属ベース板と各半導体装置の非接合電極とが、それぞれ金属細線で接続されて双方向スイッチ回路が構成される。
特開２００８－１６６４６１号公報
特許文献１の双方向スイッチ回路では、エミッタコモン型の回路結線を行うために、エミッタ電位のパターンを配置している。このため、回路の面積が大きくなるおそれがある。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、小型化が可能な双方向スイッチ回路および電力変換装置を得ることを目的とする。
本開示に係る双方向スイッチ回路は、第１パターンと、第２パターンと、第１ゲート電極と、第１裏面電極と、前記第１裏面電極の反対側に設けられた第１上面電極と、を有し、前記第１裏面電極が前記第１パターン上に設けられ前記第１パターンと電気的に接続された第１半導体装置と、第２ゲート電極と、第２裏面電極と、前記第２裏面電極の反対側に設けられた第２上面電極と、を有し、前記第２裏面電極が前記第２パターン上に設けられ前記第２パターンと電気的に接続された第２半導体装置と、第１カソード電極と、前記第１カソード電極と反対側に設けられた第１アノード電極と、を有し、前記第１カソード電極が前記第１パターン上に設けられ前記第１パターンと電気的に接続された第１ダイオードと、第２カソード電極と、前記第２カソード電極と反対側に設けられた第２アノード電極と、を有し、前記第２カソード電極が前記第２パターン上に設けられ前記第２パターンと電気的に接続された第２ダイオードと、前記第１上面電極と前記第２アノード電極を電気的に接続する第１配線と、前記第２上面電極と前記第１アノード電極を電気的に接続する第２配線と、を備え、前記第１上面電極と、前記第２上面電極と、前記第１アノード電極と、前記第２アノード電極は、互いに電気的に接続されている。
本開示に係る双方向スイッチ回路では、第１上面電極と第２アノード電極とが第１配線で電気的に接続され、第２上面電極と第１アノード電極とが第２配線で電気的に接続される。また、第１上面電極と、第２上面電極と、第１アノード電極と、第２アノード電極は、互いに電気的に接続されている。このため、エミッタ電位のパターンを追加する必要がなく、小型化が可能となる。
実施の形態１に係る双方向スイッチ回路を説明する図である。 実施の形態１に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 比較例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態１の第１の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態１の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態１の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態２に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態２の第１の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態２の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態２の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態３に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態３の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態３の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路の平面図である。 実施の形態４に係る電力変換装置を説明する図である。
各実施の形態に係る双方向スイッチ回路および電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る双方向スイッチ回路１００を説明する図である。図２は、実施の形態１に係る双方向スイッチ回路１００の平面図である。双方向スイッチ回路１００は、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２と、ダイオードＤｉ１、Ｄｉ２を備える。半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２はＩＧＢＴである。ダイオードＤｉ１は、アノードと半導体装置Ｔｒ１のエミッタとが同一電位になるように、半導体装置Ｔｒ１と逆並列に接続されている。同様にダイオードＤｉ２は、アノードと半導体装置Ｔｒ２のエミッタとが同一電位になるように、半導体装置Ｔｒ２と逆並列に接続されている。
双方向スイッチ回路１００は、絶縁基板上に配置されたパターン１０、２０を備える。パターン１０、２０はコレクタパターンである。半導体装置Ｔｒ１は、ゲート電極Ｇ１と、裏面電極Ｃ１と、裏面電極Ｃ１の反対側に設けられた上面電極Ｅｓ１とを有する。裏面電極Ｃ１はパターン１０上に設けられ、パターン１０と電気的に接続されている。裏面電極Ｃ１はコレクタ電極であり、上面電極Ｅｓ１はエミッタ電極である。
半導体装置Ｔｒ２は、ゲート電極Ｇ２と、裏面電極Ｃ２と、裏面電極Ｃ２の反対側に設けられた上面電極Ｅｓ２とを有する。裏面電極Ｃ２はパターン２０上に設けられ、パターン２０と電気的に接続されている。裏面電極Ｃ２はコレクタ電極であり、上面電極Ｅｓ２はエミッタ電極である。
ダイオードＤｉ１は、カソード電極Ｃａ１と、カソード電極Ｃａ１と反対側に設けられたアノード電極Ａ１と、を有する。カソード電極Ｃａ１はパターン１０上に設けられ、パターン１０と電気的に接続される。ダイオードＤｉ２は、カソード電極Ｃａ２と、カソード電極Ｃａ２と反対側に設けられたアノード電極Ａ２とを有する。カソード電極Ｃａ２はパターン２０上に設けられ、パターン２０と電気的に接続される。
配線４１は、上面電極Ｅｓ１とアノード電極Ａ２を電気的に接続する。配線４３は、上面電極Ｅｓ２とアノード電極Ａ１を電気的に接続する。また、上面電極Ｅｓ１と上面電極Ｅｓ２とは、接続部である配線４５で互いに電気的に接続されている。配線４１、４３、４５は例えばアルミワイヤ等の金属細線である。以上の接続により、各チップのエミッタ電極およびアノード電極が同一電位となる。
上面電極Ｅｓ１にはエミッタ駆動パターン１２が配線を介して電気的に接続される。ゲート電極Ｇ１、Ｇ２には、それぞれゲートパターン１４、２４が配線を介して電気的に接続される。
また、パターン１０、２０は、それぞれモジュールの外部と接続するための図示しない端子と電気的に接続されている。双方向スイッチ回路１００では、半導体装置Ｔｒ１とダイオードＤｉ２または半導体装置Ｔｒ２とダイオードＤｉ１を介して、パターン１０、２０間に双方向から電流を流すことが可能である。
図３は、比較例に係る双方向スイッチ回路１０１の平面図である。比較例に係る双方向スイッチ回路１０１では、複数のチップのエミッタ電極およびアノード電極を同一電位とするためにエミッタパターン３０が設けられる。さらに、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２にそれぞれエミッタ駆動パターン１２、２２が設けられる。このため、回路の面積が大きくなるおそれがある。
これに対し、本実施の形態に係る双方向スイッチ回路１００では、配線４１、４３、４５により、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２のエミッタ電極と、ダイオードＤｉ１、Ｄｉ２のアノード電極とを同一電位にできる。従って、エミッタパターンを省略でき、回路を小型化できる。さらに、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２のエミッタ駆動パターン１２を共通化できるため、さらに回路面積を縮小できる。
また、通常のＩＧＢＴは逆電圧に対する耐圧を有さない。これに対し本実施の形態では、ＩＧＢＴとダイオードを逆並列接続することができる。逆並列接続により、ダイオードの順方向電圧ＶＦ以上の電圧がＩＧＢＴに印可されることを防止できる。従って、ＩＧＢＴへの逆耐圧破壊を抑制できる。
本実施の形態の変形例として、配線４５の接続位置は、上面電極Ｅｓ１と上面電極Ｅｓ２とアノード電極Ａ１とアノード電極Ａ２とが互いに電気的に接続されれば、図２に示される位置に限定されない。例えば、図４－６に示されるような短絡方法も可能である。図４は、実施の形態１の第１の変形例に係る双方向スイッチ回路１００ａの平面図である。このように、アノード電極Ａ１とアノード電極Ａ２とが配線４５ａによって電気的に接続されても良い。図５は、実施の形態１の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路１００ｂの平面図である。このように、上面電極Ｅｓ１とアノード電極Ａ１とが配線４５ｂによって電気的に接続されても良い。図６は、実施の形態１の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路１００ｃの平面図である。このように、上面電極Ｅｓ２とアノード電極Ａ２とが配線４５ｃによって電気的に接続されても良い。
本実施の形態では、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２はＩＧＢＴであるものとした。これに限らず、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子であっても良い。
また、配線４１、４３、４５として用いられる金属細線は、例えば銅、Ａｌ合金または銅に被覆されたＡｌから形成される。これにより、金属細線に流れる電流による発熱を低減できる。従って、配線１本あたりの電流密度を向上でき、配線数を低減できる。また、配線数を減らさない場合には、金属細線の温度の低減および装置の長寿命化が期待できる。なお、上面電極Ｅｓ１と、上面電極Ｅｓ２と、アノード電極Ａ１と、アノード電極Ａ２とを互いに接続する部材の一部に、このような金属細線が採用されても良い。
上面電極Ｅｓ１と、上面電極Ｅｓ２と、アノード電極Ａ１と、アノード電極Ａ２とを互いに接続する部材には、金属板が含まれても良い。金属板は、例えばリードフレーム材またはリボン材である。これにより、接続部材の温度の低減および装置の長寿命化が期待できる。また、配線を簡素化できる。
半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２、ダイオードＤｉ１、Ｄｉ２の少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体から形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。これにより、双方向スイッチ回路１００における損失を低減できる。
これらの変形は、以下の実施の形態に係る双方向スイッチ回路および電力変換装置について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る双方向スイッチ回路および電力変換装置については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る双方向スイッチ回路２００の平面図である。本実施の形態の双方向スイッチ回路２００は、上面電極Ｅｓ１、Ｅｓ２がエミッタ駆動パターン２１２を介して接続される点が、双方向スイッチ回路１００と異なる。他の構成は、双方向スイッチ回路１００の構成と同じである。本実施の形態において、上面電極Ｅｓ１と上面電極Ｅｓ２とを接続する接続部は、配線２４５、エミッタ駆動パターン２１２および配線２４６を有する。このような接続により、各チップのエミッタ電極およびアノード電極が同一電位となる。
エミッタ駆動パターン２１２は、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２に信号を入力するために双方向スイッチ回路２００の外部と接続される図示しないエミッタ駆動端子と電気的に接続される。つまり、エミッタ駆動パターン２１２は、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２に入力信号を送る入力信号回路と電気的に接続されている。これは、実施の形態１のエミッタ駆動パターン１２についても同様である。つまり、エミッタ駆動パターン１２、２１２を介して、外部から上面電極Ｅｓ１と上面電極Ｅｓ２に電圧が供給される。
これに対し、図３に示される比較例に係るエミッタパターン３０は、いかなる外部端子とも電気的に接続されておらず、エミッタ駆動パターン１２、２１２とは異なる。
図３に示される比較例では、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２にそれぞれエミッタ駆動パターン１２、２２が設けられた。これに対し本実施の形態では、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２がエミッタ駆動パターン２１２を共用している。さらに、エミッタ駆動パターン２１２を介して、上面電極Ｅｓ１、Ｅｓ２を接続する。これにより、双方向スイッチ回路２００の小型化および部品削減が可能となる。
さらに本実施の形態では、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２のエミッタ駆動パターン２１２を共用することで、回路設計の自由度を向上できる。また、エミッタ駆動パターン２１２に対して半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２を対称に配線することで、半導体装置Ｔｒ１、Ｔｒ２のスイッチング動作時の損失の差異を減らすことができる。
本実施の形態の変形例として、エミッタ駆動パターン２１２の接続位置は、上面電極Ｅｓ１と上面電極Ｅｓ２とアノード電極Ａ１とアノード電極Ａ２とが互いに電気的に接続されれば、図７に示される位置に限定されない。例えば、図８－１０に示されるような接続方法も可能である。
図８は、実施の形態２の第１の変形例に係る双方向スイッチ回路２００ａの平面図である。双方向スイッチ回路２００ａにおいて、アノード電極Ａ１とアノード電極Ａ２とが、配線２４５ａ、エミッタ駆動パターン２１２、配線２４６ａを介して、電気的に接続される。図９は、実施の形態２の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路２００ｂの平面図である。双方向スイッチ回路２００ｂにおいて、上面電極Ｅｓ１とアノード電極Ａ１とが、配線２４５ｂ、エミッタ駆動パターン２１２、配線２４６ｂを介して、電気的に接続される。図１０は、実施の形態２の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路２００ｃの平面図である。双方向スイッチ回路２００ｃにおいて、上面電極Ｅｓ２とアノード電極Ａ２とが、配線２４５ｃ、エミッタ駆動パターン２１２、配線２４６ｃを介して、電気的に接続される。
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る双方向スイッチ回路３００の平面図である。本実施の形態では、半導体装置Ｔｒ１とダイオードＤｉ１が１つのチップＴｒ３に形成され、半導体装置Ｔｒ２とダイオードＤｉ２が１つのチップＴｒ４に形成される点が実施の形態２と異なる。他の構成は実施の形態２の構成と同様である。半導体装置Ｔｒ１とダイオードＤｉ１はＲＣ（Ｒｅｖｅｒｓｅ－Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）－ＩＧＢＴを構成する。半導体装置Ｔｒ２とダイオードＤｉ２はＲＣ－ＩＧＢＴを構成する。
パターン１０上には、ＲＣ－ＩＧＢＴであるチップＴｒ３のコレクタ電極およびカソード電極が設けられる。パターン２０上には、ＲＣ－ＩＧＢＴであるチップＴｒ４のコレクタ電極およびカソード電極が設けられる。チップＴｒ３のエミッタ電極とチップＴｒ４のアノード電極は、配線３４１で電気的に接続される。チップＴｒ４のエミッタ電極とチップＴｒ３のアノード電極は、配線３４１で電気的に接続される。さらに、チップＴｒ３のエミッタ電極とチップＴｒ４のエミッタ電極は、配線３４５、エミッタ駆動パターン３１２、配線３４６を介して電気的に接続される。
本実施の形態では、スイッチング素子とダイオードを１つのチップとして構成することで、回路面積および部品数をさらに削減できる。
本実施の形態の第１の変形例として、チップＴｒ３のアノード電極とチップＴｒ４のアノード電極とが、配線３４５、エミッタ駆動パターン３１２、配線３４６を介して電気的に接続されても良い。図１２は、実施の形態３の第２の変形例に係る双方向スイッチ回路３００ａの平面図である。双方向スイッチ回路３００ａのように、チップＴｒ３のエミッタ電極とチップＴｒ３のアノード電極とが、配線３４５ａ、エミッタ駆動パターン３１２を介して電気的に接続されても良い。図１３は、実施の形態３の第３の変形例に係る双方向スイッチ回路３００ｂの平面図である。双方向スイッチ回路３００ｂのように、チップＴｒ４のエミッタ電極とチップＴｒ４のアノード電極とが、配線３４５ｂ、エミッタ駆動パターン３１２を介して電気的に接続されても良い。
また、双方向スイッチ回路３００において、チップＴｒ３のエミッタ電極と、チップＴｒ４のエミッタ電極とが、エミッタ駆動パターン３１２を介さずに、直接、配線３４５で接続されても良い。また、本実施の形態ではＲＣ－ＩＧＢＴチップの例を示したが。スイッチング素子とダイオードとが１つのＭＯＳＦＥＴチップに形成されても良い。この場合、ダイオードＤｉ１、Ｄｉ２はＭＯＳＦＥＴのボディダイオードとして形成される。
実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る電力変換装置８００を説明する図である。電力変換装置８００は、実施の形態１から３で説明した双方向スイッチ回路とインバータ回路５０を備える。図１４では、電力変換装置８００が双方向スイッチ回路１００を備える例が示されている。電力変換装置８００は、例えば３レベルインバータ回路である。電力変換装置８００はコンバータ回路であっても良い。双方向スイッチ回路１００を用いることで、電力変換装置８００およびその応用システムの小型化が可能となる。
なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。
１０ パターン、１２ エミッタ駆動パターン、１４ ゲートパターン、２０ パターン、３０ エミッタパターン、４１、４３、４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ 配線、５０ インバータ回路、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１０１、２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ 双方向スイッチ回路、２１２ エミッタ駆動パターン、２４５、２４５ａ、２４５ｂ、２４５ｃ、２４６、２４６ａ、２４６ｂ、２４６ｃ 配線、３００、３００ａ、３００ｂ 双方向スイッチ回路、３１２ エミッタ駆動パターン、３４１、
３４５、３４５ａ、３４５ｂ、３４６ 配線、８００ 電力変換装置、Ａ１、Ａ２ アノード電極、Ｃ１、Ｃ２ 裏面電極、Ｃａ１、Ｃａ２ カソード電極、Ｄｉ１、Ｄｉ２ ダイオード、Ｅｓ１、Ｅｓ２ 上面電極、Ｇ１、Ｇ２ ゲート電極、Ｔｒ１、Ｔｒ２ 半導体装置、Ｔｒ３、Ｔｒ４ チップ

Claims (16)

  1. 第１パターンと、
    第２パターンと、
    第１ゲート電極と、第１裏面電極と、前記第１裏面電極の反対側に設けられた第１上面電極と、を有し、前記第１裏面電極が前記第１パターン上に設けられ前記第１パターンと電気的に接続された第１半導体装置と、
    第２ゲート電極と、第２裏面電極と、前記第２裏面電極の反対側に設けられた第２上面電極と、を有し、前記第２裏面電極が前記第２パターン上に設けられ前記第２パターンと電気的に接続された第２半導体装置と、
    第１カソード電極と、前記第１カソード電極と反対側に設けられた第１アノード電極と、を有し、前記第１カソード電極が前記第１パターン上に設けられ前記第１パターンと電気的に接続された第１ダイオードと、
    第２カソード電極と、前記第２カソード電極と反対側に設けられた第２アノード電極と、を有し、前記第２カソード電極が前記第２パターン上に設けられ前記第２パターンと電気的に接続された第２ダイオードと、
    前記第１上面電極と前記第２アノード電極を電気的に接続する第１配線と、
    前記第２上面電極と前記第１アノード電極を電気的に接続する第２配線と、
    を備え、
    前記第１上面電極と、前記第２上面電極と、前記第１アノード電極と、前記第２アノード電極は、互いに電気的に接続されていることを特徴とする双方向スイッチ回路。
  2. 前記第１上面電極と前記第２上面電極とが接続部によって電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチ回路。
  3. 前記第１アノード電極と前記第２アノード電極とが接続部によって電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチ回路。
  4. 前記第１上面電極と前記第１アノード電極とが接続部によって電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチ回路。
  5. 前記第２上面電極と前記第２アノード電極とが接続部によって電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチ回路。
  6. 前記接続部は第３配線であることを特徴とする請求項２から５の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  7. 前記接続部は、駆動パターンを有し、
    前記駆動パターンを介して、外部から前記第１上面電極と前記第２上面電極に電圧が供給される請求項２から５の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  8. 前記第１半導体装置と前記第１ダイオードは１つのチップに形成されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  9. 前記第１半導体装置および前記第２半導体装置はＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  10. 前記第１半導体装置および前記第２半導体装置はＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  11. 前記第１上面電極と、前記第２上面電極と、前記第１アノード電極と、前記第２アノード電極とを互いに接続する部材には、金属細線が含まれることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  12. 前記金属細線は、銅、Ａｌ合金または銅に被覆されたＡｌから形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の双方向スイッチ回路。
  13. 前記第１上面電極と、前記第２上面電極と、前記第１アノード電極と、前記第２アノード電極とを互いに接続する部材には、金属板が含まれることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  14. 前記第１半導体装置、前記第２半導体装置、前記第１ダイオードまたは前記第２ダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体から形成されていることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路。
  15. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１４に記載の双方向スイッチ回路。
  16. 請求項１から１５の何れか１項に記載の双方向スイッチ回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
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