JP2023164888A - ハイブリッドパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率、小設置面積および低コストを維持しながら、高い電圧および電流を処理するシリコンカーバイドパワー半導体デバイスを含むパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュールの複数のパワー半導体デバイスは、第１の制御端子３２と第２の制御端子３８との間に並列に結合された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）２８および金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）３０を含む。ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴは、シリコンカーバイドデバイスである。ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴをともに提供することにより、パワーモジュールの順方向導通電流と逆方向導通電流との間のトレードオフ、効率およびパワーモジュールの比電流定格を、改善し、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴを、シリコンカーバイドデバイスとして提供することにより、パワーモジュールの性能を大幅に改善する。【選択図】図４

Description

政府の支援
[0001]本発明は、国防総省によって授与された契約番号Ｎ０００１４－１０－Ｄ－０１４５の下で政府の資金でなされた。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有する。
[0002]本開示は、パワーモジュール、特に１つまたは複数のシリコンカーバイドパワー半導体デバイスを含むパワーモジュールに関する。
[0003]パワーモジュールは、負荷との間でパワーを選択的に供給するために使用される。パワーモジュールの主な機能は、パワーモジュール内のいくつかのパワー半導体デバイス（たとえば、トランジスタ、ダイオードなど）によって提供される。これらのパワー半導体デバイスは、パワー基板上に取り付けられた１つまたは複数の半導体ダイとして提供される。１つまたは複数の他のパワーモジュールおよび／または１つまたは複数の他の構成要素を備えたパワーシステムに提供される場合、パワーモジュールのパワー半導体デバイスは、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、バックコンバータ、ブーストコンバータなどのパワーコンバータの一部を形成し得る。パワーシステムはしばしば高い電圧および電流を処理するので、パワーモジュールのパワー半導体デバイスは同様に、前記高い電圧および電流を確実にスイッチできなければならない。近年、パワー消費の削減が、パワー用途の主要な関心事になっており、したがって、パワーモジュールが低損失、したがって高効率を提供することが望ましい。いつものように、低コストでそうすることが望ましい。
[0004]一般に、パワーモジュール内の１つまたは複数のパワー半導体デバイスは、少なくとも１つのスイッチ位置を形成する。パワーモジュールの一般的な構成では、少なくとも１つのスイッチ位置を介して順方向（第１象限導通）と逆方向（第３象限導通）との両方に電流を流すことができる。従来、パワーモジュールのパワー半導体デバイスは、高い電圧および電流を確実にスイッチできるシリコンパワー半導体デバイスを製造するためのよく知られたプロセスのために、シリコンデバイスであった。しかしながら、近年、提供されるスイッチング速度と効率の大幅な向上により、シリコンカーバイドパワー半導体デバイスが普及している。シリコンカーバイドパワー半導体デバイスを備えたパワーモジュールは、対応するシリコンパワー半導体デバイスを備えたパワーモジュールに比べていくつかの性能上の利点を提供するが、シリコンカーバイドパワー半導体デバイスをパワーモジュールに使用すると、シリコンパワー半導体デバイスを含むパワーモジュールに適用される設計原理が、シリコンカーバイドパワー半導体デバイスを含むパワーモジュールに等しく適用されないように、その設計にいくつかの課題がある。要するに、パワーモジュールにシリコンカーバイドパワー半導体デバイスを含めることは、既存のパワーモジュールの対応するシリコンパワー半導体デバイスと単にそれらを交換することの問題ではない。
[0005]上記に照らして、高効率、小設置面積(small footprint)、および低コストを維
持しながら、高い電圧および電流を処理することができるシリコンカーバイドパワー半導体デバイスを含むパワーモジュールに対する必要性が現在ある。
[0006]１つの実施形態では、パワーモジュールは、複数のパワー半導体デバイスを含む
。複数のパワー半導体デバイスは、第１のパワースイッチング端子と第２のパワースイッチング端子との間に並列に結合された、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）とを含む。ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴは、シリコンカーバイド半導体デバイスである。ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴをともに提供することにより、パワーモジュールの順方向導通電流と逆方向導通電流との間のトレードオフ、効率、およびパワーモジュールの比電流定格が、改善され得る。さらに、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴをシリコンカーバイドデバイスとして提供することは、パワーモジュールの性能を大幅に改善し得る。
[0007]１つの実施形態では、パワーモジュールは、複数のパワー半導体デバイスを含む。複数のパワー半導体デバイスは、ＩＧＢＴおよびダイオードを含む。ＩＧＢＴおよびダイオードは、第１のパワースイッチング端子と第２のパワースイッチング端子との間に逆並列に結合される。ＩＧＢＴおよびダイオードは、シリコンカーバイド半導体デバイスである。シリコンカーバイド半導体デバイスとしてＩＧＢＴおよびダイオードを提供することにより、パワーモジュールの性能が大幅に改善され得る。
[0008]１つの実施形態では、パワーモジュールは、複数のパワー半導体ダイを含む。複数のパワー半導体ダイは、パワーモジュールが、
Figure 2023164888000002
よりも大きい比電流定格(specific current rating)を提供するように、第１のパワース
イッチング端子と第２のパワースイッチング端子の間に配置され、ここで、Ｖｂ（ｒ）は、パワーモジュールの定格遮断電圧(rated blocking voltage)である。比定格電流は、エッジ終端部および非アクティブ構造を含まないパワー半導体ダイのアクティブ領域に対するものである。
[0009]１つの実施形態では、並列に結合されたシリコンカーバイドＩＧＢＴおよびシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを含むパワーモジュールを動作させる方法は、ＭＯＳＦＥＴを遮断モードにする前に、ＩＧＢＴを遮断モードにすることによって、パワーモジュールを順方向導通モードから遮断モードにスイッチすることと、少なくとも１つのＩＧＢＴを順方向導通モードにする前に、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを逆方向導通モードにすることによって、パワーモジュールを遮断モードから順方向導通モードにスイッチすることとを含む。このようにパワーモジュールを動作させることにより、パワーモジュールのスイッチング損失が、大幅に低減され得る。
[0010]当業者は、本開示の範囲を理解し、添付の図面に関連して好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後、その追加の態様を実現するであろう。
[0011]本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示しており、記載とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。
[0012]本開示の１つの実施形態によるパワーモジュールを示す図である。 [0013]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールのスイッチ位置を示す機能概略図である。 [0014]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールのスイッチ位置の例示的な配置を示す図である。 本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールのスイッチ位置の例示的な配置を示す図である。 [0015]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールの順方向導通電流と逆方向導通電流との間の関係を示すグラフである。 [0016]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールのスイッチ位置を示す機能概略図である。 [0017]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールの順方向導通電流と逆方向導通電流との間の関係を示すグラフである。 [0018]本開示の様々な実施形態による、パワーモジュールのパワー出力を示すグラフである。 [0019]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールを動作させる方法を示すフロー図である。 [0020]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールのスイッチ位置を示す機能概略図である。 [0021]本開示の様々な実施形態による、いくつかのパワーモジュールの正規化出力パワー対正規化パワー損失を示すグラフである。 [0022]本開示の１つの実施形態による、パワーモジュールの比電流定格と電圧定格との間の関係を示すグラフである。
[0023]以下に記載される実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするために必要な情報を表し、実施形態を実施する最良のモードを例示する。添付の図面に照らして以下の説明を読むと、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書で特に扱われていないこれらの概念の適用を認識するであろう。これらの概念および適用は、本開示および付随する特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。
[0024]本明細書では、第１、第２などの用語を使用して様々な要素を説明することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。たとえば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と呼ばれ得、同様に、第２の要素は、第１の要素と呼ばれ得る。本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連付けられた列挙された項目のうちの１つまたは複数の、任意の、および、すべての組合せを含む。
[0025]層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上に」ある、または「上に」延びていると呼ばれる場合、それは、他の要素の上に、直接ある、または直接延びることができる、あるいは介在する要素も存在し得ると理解されよう。対照的に、要素が別の要素の「上に直接」ある、または「上に直接」延びていると呼ばれる場合、介在する要素は存在しない。同様に、層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上方」にある、または「上方に」延びていると呼ばれる場合、それは、他の要素の上方に直接ある、または直接延びることができる、あるいは介在する要素も存在し得ると理解されよう。対照的に、要素が別の要素の「真上に直接」ある、または「真上に直接」延びていると呼ばれる場合、介在する要素は存在しない。ある要素が別の要素に「接続されている」または「結合されている」と呼ばれる場合、それは他の要素に直接接続または結合され得る、あるいは介在する要素が存在し得ることも理解されよう。対照的に、要素が別の要素に「直接接続されている」または「直接結合されている」と呼ばれる場合、介在する要素は存在しない。
[0026]「下方」または「上方」または「上部」または「下部」または「水平」または「垂直」などの相対的な用語は、本明細書では、図に例示されるように、ある要素、層、または領域の、別の要素、層、または領域に対する関係を説明するために使用され得る。これらの用語および上記で論じられた用語は、図に示されている向きに加えて、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されよう。
[0027]本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本開示を限定することは意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」、および／または「含んでいる」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されよう。
[0028]別段の定義がない限り、本明細書で使用される（技術用語および科学用語を含む）すべての用語は、本開示が属する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語は、本明細書および関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように定義されない限り、理想化された、または過度に形式的な意味で解釈されないことがさらに理解される。
[0029]図１は、本開示の１つの実施形態によるパワーモジュール１０を示している。パワーモジュール１０は、ハウジング１２、ハウジング１２内のパワー基板１４、およびパワー基板１４上のいくつかのパワー半導体ダイ１６を含む。図示されないが、ハウジング１２は、パワー基板１４がハウジング１２によって部分的または完全に囲まれるように、パワー基板１４を覆い得る。さらに、パワー基板１４、ワイヤボンド、および接触端子上のトレースによって形成されるいくつかの信号経路は、パワー半導体ダイ１６を互いに接続して、以下で説明するように、パワーモジュール１０の所望のトポロジを形成することができる。最後に、パワー基板１４は、ハウジング１２の底部を通して露出されるベースプレート上に提供され得る。１２個のパワー半導体ダイ１６が図１に示されているが、本開示の原理から逸脱することなく、任意の数のパワー半導体ダイ１６が、パワーモジュール１０に提供され得る。しかしながら、以下で説明するように、パワーモジュール１０の設置面積は、一般に、規格および実用性によって制限され、したがって、パワーモジュール１０に提供できるパワー半導体ダイ１６の総数は制限され得る。様々な実施形態において、パワーモジュール１０は、４つのパワー半導体ダイ１６、８つのパワー半導体ダイ１６、または他の任意の数のパワー半導体ダイ１６を含み得る。
[0030]図２Ａは、本開示の１つの実施形態による、パワーモジュール１０内のスイッチ位置ＳＷを示す機能概略図である。スイッチ位置ＳＷは、パワー半導体ダイ１６の全部または一部を含み得、これらは、図示されるように、いくつかのパワー半導体デバイスを形成するためにともに結合され得る。特に、パワー半導体ダイ１６は、ともに結合されて、ダイオード２０と逆並列に結合された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１８を提供し得る。ＩＧＢＴ１８は、制御端子２２に結合されたベース接点（Ｂ）、第１のパワースイッチング端子２４に結合されたコレクタ接点（Ｃ）、および第２のパワースイッチング端子２６に結合されたエミッタ接点（Ｅ）を含む。ダイオード２０は、第２のパワースイッチング端子２６に結合されたアノードと、第１のパワースイッチング端子２４に結合されたカソードとを含む。
[0031]ＩＧＢＴ１８は、並列に結合された、各々がＩＧＢＴ半導体ダイである、いくつかのパワー半導体ダイ１６によって提供され得る。同様に、ダイオード２０は、並列に結合された、各々がダイオード半導体ダイである、いくつかのパワー半導体ダイ１６によっ
て提供され得る。ＩＧＢＴ１８のために使用される半導体ダイ１６の数は、（たとえば、各デバイスの電流容量に応じて）ダイオード２０のために使用される半導体ダイ１６の数とは異なる場合がある。パワー半導体ダイ１６の各々は、特定の遮断電圧および特定の順方向導通電流について定格化され得る。ＩＧＢＴ１８およびダイオード２０の各々に、複数のパワー半導体ダイ１６を提供することは、その順方向導通電流を（追加のパワー半導体ダイ１６ごとに整数倍）増加させる。したがって、スイッチ位置ＳＷは、ＩＧＢＴ１８を通過する（第１のパワースイッチング端子２４から第２のパワースイッチング端子２６への）順方向と、ダイオード２０を通過する（第２のパワースイッチング端子２６から第１のパワースイッチング端子２４への）逆方向との両方で、高電圧を遮断し、高電流を導通でき得る。
[0032]いくつかの実施形態では、パワーモジュール１０は、複数のスイッチ位置ＳＷを含み得る。スイッチ位置ＳＷは、パワーモジュール１０の用途に応じて、第１のパワースイッチング端子２４と第２のパワースイッチング端子２６との間で直列または並列にともに結合され得る。いくつかの実施形態では、スイッチ位置ＳＷは、決してともに結合されないことがある。たとえば、図２Ｂは、直列に結合された２つのスイッチ位置ＳＷを示し、これは、ハーフブリッジパワー変換器のスイッチング部分を形成するために使用され得る。図２Ｃは、４つのスイッチ位置ＳＷを示し、ここで、４つのスイッチ位置ＳＷの２つのペアが直列に結合されている。直列結合されたスイッチ位置ＳＷの２つのペアは、並列に結合され、フルブリッジパワー変換器のスイッチング部分を形成するか、または結合されないままとされ得る。特に、パワーモジュール１０は、任意の所望の方式で構成された任意の数のスイッチ位置ＳＷを提供し得る。
[0033]１つの実施形態では、ＩＧＢＴ１８およびダイオード２０は、シリコンカーバイド半導体デバイスである。シリコンカーバイドデバイスとしてＩＧＢＴ１８およびダイオード２０を提供することは、同じサイズの従来のパワーモジュールと比較して、パワーモジュール１０に、増加された遮断電圧、順方向導通電流、および逆方向導通電流のみならず、低減されたスイッチングおよび導通損失などのいくつかの性能上の利点を提供し得る。たとえば、パワーモジュール１０は、遮断動作モードにおいて、第１のパワースイッチング端子２４と第２のパワースイッチング端子２６との間の１ｋＶよりも大きい電圧を遮断でき得る。様々な実施形態において、パワーモジュール１０は、２ｋＶよりも大きい、３ｋＶよりも大きい、４ｋＶよりも大きい、５ｋＶよりも大きい、６ｋＶよりも大きい、７ｋＶよりも大きい、８ｋＶよりも大きい、９ｋＶよりも大きい、１０ｋＶよりも大きい、１１ｋＶよりも大きい、１２ｋＶよりも大きい、１３ｋＶよりも大きい、１４ｋＶよりも大きい、１５ｋＶよりも大きい、１６ｋＶよりも大きい、１７ｋＶよりも大きい、１８ｋＶよりも大きい、１９ｋＶよりも大きい、２０ｋＶよりも大きい、２１ｋＶよりも大きい、２２ｋＶよりも大きい、２３ｋＶよりも大きい、２４ｋＶよりも大きい、２５ｋＶよりも大きい、そして最大２６ｋＶの電圧を遮断でき得る。パワーモジュール１０の遮断電圧は、上記の遮断電圧のいずれかを始点および終点とする範囲としてさらに表され得る。たとえば、パワーモジュール１０は、２ｋＶから２６ｋＶの間、１０ｋＶから２６ｋＶの間、２０ｋＶから２６ｋＶの間、２ｋＶから１２ｋＶの間、１０ｋＶから１５ｋＶの間、１１ｋＶから２６ｋＶの間などの電圧を遮断でき得る。上記の遮断電圧の場合、（第１のパワースイッチング端子２４と第２のパワースイッチング端子２６との間の）順方向導通電流および（第２のパワースイッチング端子２６と第１のパワースイッチング端子２４との間の）逆方向導通電流は、半導体ダイの面積、したがって、ＩＧＢＴ１８およびダイオード２０の各々に専用のパワー半導体ダイ１６の数にそれぞれ依存する。
[0034]図３は、ＩＧＢＴ１８に使用されるパワー半導体ダイ１６の数対ダイオード２０に使用されるパワー半導体ダイ１６の数に基づく、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流を示すグラフである。図示されるように、最大逆方向導通電流は
、パワー半導体ダイ１６の１２個すべてがダイオード２０のために使用されるときに発生する。しかしながら、パワーモジュール１０は、このシナリオでは順方向導通電流を提供することができない。ＩＧＢＴ１８のために使用されるパワー半導体ダイ１６の数が増加すると、パワーモジュール１０の順方向導通電流も同様に増加し、パワーモジュール１０の逆方向導通電流は減少する。パワーモジュール１０は、図３に例示されるシナリオのいずれかで、上記で論じられた電圧を遮断することが可能であり、したがって、２００Ａよりも大きい順方向および逆方向導通電流の両方が可能であり、また、例示される他のシナリオも可能である。様々な実施形態において、パワーモジュールは、１００Ａから６ｋＡ、１５０Ａから６ｋＡ、２００Ａから６ｋＡ、２５０Ａから６ｋＡ、３００Ａから６ｋＡ、５００Ａから６ｋＡ、１ｋＡから６０００ｋＡの範囲、および上記の範囲のいずれかによって形成された任意のサブ範囲において、順方向および逆方向導通電流を提供することができる。図３のグラフによって説明される例示的な状況では、１２個のパワー半導体ダイ１６のうちの３個がＩＧＢＴ１８のために使用され、１２個のパワー半導体ダイ１６のうちの残りの９個がダイオード２０のために使用される場合、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流は比較的等しい。
[0035]上記で論じたように、パワーモジュール１０の設置面積は、規格および実用性の両方によって制限されている。同じ設置面積の場合、パワーモジュール１０は、パワー半導体デバイスがシリコンであるパワーモジュールよりも、上記の順方向導通電流および逆方向導通電流で、はるかに大きな遮断電圧を達成することができる。
[0036]上記に例示したように、パワーモジュール１０の順方向導通電流と逆方向導通電流との間にはトレードオフが存在する。パワーモジュール１０の設置面積が制限されるので、パワーモジュール１０の達成可能な順方向および逆方向導通電流は、パワー半導体ダイ１６のために利用可能なスペースによって同様に制限される。これは、ＩＧＢＴ１８が通過できる電流（順方向導通電流）の量が、ＩＧＢＴ１８専用の半導体ダイの面積の関数であり、同様に、ダイオード２０が通過できる電流（逆方向導通電流）の量が、ダイオード２０専用の半導体ダイの面積の関数であるからである。いくつかの実施形態では、ダイオード２０は、接合バリアショットキー（ＪＢＳ）ダイオードであり得る。したがって、半導体ダイの所与の領域について、ダイオード２０は、ＩＧＢＴ１８よりもはるかに少ない電流を導通することができ、それにより、所望の逆方向導通電流を達成するために、ＩＧＢＴ１８専用よりも、ダイオード２０専用のはるかに多くの半導体ダイの面積（したがって、パワー半導体ダイ１６の数）を必要とする。パワー半導体ダイ１６の総数は、パワーモジュール１０の設置面積によって制限されるので、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流も制限される。上記のパワーモジュール１０は、以前に達成可能であったよりも高い遮断電圧、順方向導通電流、および逆方向導通電流を達成することができるが、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流をさらに増加させることが常に望ましい。
[0037]図４は、本開示の追加の実施形態による、パワーモジュール１０内のスイッチ位置ＳＷを示す機能概略図である。スイッチ位置ＳＷは、パワー半導体ダイ１６の全部または一部を含み得、これらは、図示されるように、いくつかのパワー半導体デバイスを形成するためにともに結合され得る。特に、パワー半導体ダイ１６は、ともに結合されて、ＩＧＢＴ２８および金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）３０を提供し得る。ＩＧＢＴ２８は、第１の制御端子３２に結合されたゲート接点（Ｇ）、第１のパワースイッチング端子３４に結合されたコレクタ接点（Ｃ）、および第２のパワースイッチング端子３６に結合されたエミッタ接点（Ｅ）を含む。ＭＯＳＦＥＴ３０は、第２の制御端子３８に結合されたゲート接点（Ｇ）、第１のパワースイッチング端子３４に結合されたドレイン接点（Ｄ）、および第２のパワースイッチング端子３６に結合されたソース接点（Ｓ）を含む。
[0038]ＩＧＢＴ２８は、並列に結合された、各々がＩＧＢＴ半導体ダイであるいくつかのパワー半導体ダイ１６によって提供され得る。同様に、ＭＯＳＦＥＴ３０は、並列に結合された、各々がＭＯＳＦＥＴ半導体ダイであるいくつかのパワー半導体ダイ１６によって提供され得る。１つの実施形態では、半導体ダイ１６のうちの１つまたは複数は、ディスクリートに（すなわち、ダイ自体に電気的に結合されていない）、または任意の所望の方式で互いに統合されて、同じダイ上にＩＧＢＴデバイスおよびＭＯＳＦＥＴデバイスの両方を提供する。パワー半導体ダイ１６の各々は、特定の遮断電圧および特定の順方向導通電流について定格化され得る。ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０の各々に複数のパワー半導体ダイを提供することは、その順方向導通電流を（追加の各パワー半導体ダイ１６ごとに整数倍）増加させる。したがって、スイッチ位置ＳＷは、（第１のパワースイッチング端子３４から第２のパワースイッチング端子３６への）順方向と、（第２のパワースイッチング端子３６から第１のパワースイッチング端子３４への）逆方向との両方で、高電圧を遮断し、高電流を導通でき得る。
[0039]上記で論じたように、いくつかの実施形態では、パワーモジュール１０は、複数のスイッチ位置ＳＷを含み得る。スイッチ位置ＳＷは、パワーモジュール１０の用途に応じて、第１のパワースイッチング端子３４と第２のパワースイッチング端子３６との間で直列または並列に結合され得る。いくつかの実施形態では、スイッチ位置ＳＷは、決してともに結合されないことがある。
[0040]１つの実施形態では、ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０は、シリコンカーバイド半導体デバイスである。シリコンカーバイドデバイスとしてＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０を提供することは、従来のパワーモジュールと比較して、パワーモジュール１０に、増加された遮断電圧、順方向導通電流、および逆方向導通電流、ならびに低減されたスイッチングおよび導通損失などのいくつかの性能上の利点を提供し得る。たとえば、パワーモジュール１０は、第１のパワースイッチング端子３４と第２のパワースイッチング端子３６との間の１ｋＶよりも大きい電圧を遮断することができ得る。様々な実施形態において、パワーモジュール１０は、２ｋＶよりも大きい、３ｋＶよりも大きい、４ｋＶよりも大きい、５ｋＶよりも大きい、６ｋＶよりも大きい、７ｋＶよりも大きい、８ｋＶよりも大きい、９ｋＶよりも大きい、１０ｋＶよりも大きい、１１ｋＶよりも大きい、１２ｋＶよりも大きい、１３ｋＶよりも大きい、１４ｋＶよりも大きい、１５ｋＶよりも大きい、１６ｋＶよりも大きい、１７ｋＶよりも大きい、１８ｋＶよりも大きい、１９ｋＶよりも大きい、２０ｋＶよりも大きい、２１ｋＶよりも大きい、２２ｋＶよりも大きい、２３ｋＶよりも大きい、２４ｋＶよりも大きい、２５ｋＶよりも大きい、そして最大２６ｋＶの電圧を遮断でき得る。パワーモジュール１０の遮断電圧は、上記の遮断電圧のいずれかを始点および終点とする範囲としてさらに表され得る。たとえば、パワーモジュール１０は、２ｋＶから２６ｋＶの間、１０ｋＶから２６ｋＶの間、２０ｋＶから２６ｋＶの間、２ｋＶから１２ｋＶの間、１０ｋＶから１５ｋＶの間、１１ｋＶから２６ｋＶの間などの電圧を遮断でき得る。上記の遮断電圧の場合、（第１のパワースイッチング端子３４と第２のパワースイッチング端子３６との間の）順方向導通電流、および（第２のパワースイッチング端子３６と第１のパワースイッチング端子３４との間の）逆方向導通電流は、半導体ダイの面積、したがって、ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０の各々に専用のパワー半導体ダイ１６の数に依存する。
[0041]図５は、ＩＧＢＴ２８に使用されるパワー半導体ダイ１６の数対ＭＯＳＦＥＴ３０に使用されるパワー半導体ダイ１６の数に基づく、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流を示すグラフである。図５におけるグラフに例示される例示的な状況では、最大逆方向導通電流は、パワー半導体ダイ１６の１２個すべてがＭＯＳＦＥＴ３０のために使用されるときに発生する。このシナリオでは、パワーモジュール１０は依然として順方向導通電流が可能であるが、逆方向導通電流と順方向導通電流との間のトレードオフは、１つまたは複数のＩＧＢＴを導入することによって改善される。ＩＧＢＴ２８のために使用されるパワー半導体ダイ１６の数が増加すると、パワーモジュール１０の順方向導通電流も同様に増加し、パワーモジュール１０の逆方向導通電流は減少する。パワーモジュール１０は、図３に例示されているシナリオのいずれかで上記で論じられた電圧を遮断することが可能であり、したがって、２５０Ａよりも大きい順方向および逆方向導通電流が可能であり、また、例示される他のシナリオも可能である。様々な実施形態において、パワーモジュールは、１００Ａから６ｋＡ、１５０Ａから６ｋＡ、２００Ａから６ｋＡ、２５０Ａから６ｋＡ、３００Ａから６ｋＡ、５００Ａから６ｋＡ、１ｋＡから６ｋＡの範囲、および上記の範囲のいずれかによって形成された任意のサブ範囲において順方向および逆方向導通電流を提供することができる。１２個のパワー半導体ダイ１６のうちの３個がＩＧＢＴ２８のために使用され、１２個のパワー半導体ダイ１６のうちの残りの９個がＭＯＳＦＥＴ３０のために使用される場合、パワーモジュール１０の順方向導通電流および逆方向導通電流は比較的等しい。
[0042]上記で論じたように、パワーモジュール１０の設置面積は、制限されている。同じ設置面積の場合、パワーモジュール１０は、デバイスがシリコンであるパワーモジュールよりも、上記の順方向導通電流および逆方向導通電流ではるかに大きな遮断電圧を達成することができる。さらに、図４および図５に関して論じられたパワーモジュール１０は、図２および図３に関して論じられたパワーモジュール１０よりも、同じ逆方向導通電流に対して、より高い順方向導通電流を達成することができる。
[0043]上記で論じたように、パワーモジュール１０における順方向導通電流と逆方向導通電流との間にはトレードオフが存在する。パワーモジュール１０の設置面積は、規格および実用性によって制限されるので、パワーモジュールの達成可能な順方向および逆方向導通電流は、パワー半導体ダイ１６のために利用可能なスペースによって同様に制限される。これは、ＩＧＢＴ２８が通過できる電流（順方向導通電流）の量が、ＩＧＢＴ２８専用の半導体ダイの面積の関数であり、同様に、ＭＯＳＦＥＴ３０が通過できる電流（順方向導通電流と逆方向導通電流との両方）の量が、ＭＯＳＦＥＴ３０専用の半導体ダイの面積の関数であるからである。ＭＯＳＦＥＴは、半導体ダイの同じ面積で、ＪＢＳダイオード（アノードからカソード）よりも逆方向（ソースからドレイン）に多くの電流を流す。さらに、ＭＯＳＦＥＴは、その内部ボディダイオードにより、電流を双方向（ソースからドレインおよびドレインからソース）に流すことができる。ＩＧＢＴは、半導体ダイの同じ面積で、ＭＯＳＦＥＴ（ドレインからソース）よりも順方向（コレクタからエミッタ）に多くの電流を流す。したがって、パワーモジュール１０のスイッチ位置ＳＷにおいてＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０を使用することは、以前に達成可能であったよりも、順方向導通電流と逆方向導通電流との間に、より良好なトレードオフを可能にする。１つの実施形態では、パワーモジュール１０は、
Figure 2023164888000003
よりも大きい、１平方センチメートル当たりのアンペア（Ａ／ｃｍ２）で測定される比電流定格を提供し、ここで、Ｖｂ（ｒ）は、パワーモジュールの定格遮断電圧である。１つの実施形態では、比電流定格は、順方向および逆方向の両方に適用される。
[0044]図６に例示するように、順方向導通電流と逆方向導通電流との間のより良いトレードオフに加えて、パワーモジュール１０のスイッチ位置ＳＷでＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０を使用すると、パワーモジュール１０の効率が向上する。図示されるように、ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０を含むパワーモジュール１０は、特に軽負荷状態において、上記で論じたＩＧＢＴ１８およびダイオード２０を含む、対応するパワーモジュール１０よりも著しく高いＤＣ効率を提供する。図示されていないが、上記で論じたパワーモジュール１０の両方の実施形態は、それらの効率においてシリコンデバイスを利用する従来のパワーモジュールと同様に、ＭＯＳＦＥＴのみを含むパワーモジュールを著しく凌駕する。
[0045]図４に示すように、スイッチ位置ＳＷは、第１の制御端子３２および第２の制御端子３８を有する。ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０に別個の制御端子を提供することは、パワーモジュール１０によって実現されるいくつかの性能上の利点を可能にし得る。特に、ＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０は、パワーモジュール１０におけるスイッチング損失を最小化するスイッチング制御スキームが使用され得るように（たとえば、図示されていないスイッチング制御回路構成からのスイッチング制御信号によって）個別に制御され得る。
[0046]図７は、本開示の１つの実施形態による、スイッチング損失を最小化するためにパワーモジュール１０内のＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０を制御するための方法を例示するフロー図である。第１に、パワーモジュール１０は、ＭＯＳＦＥＴ３０を遮断モードにする前に、ＩＧＢＴ２８を遮断モードにすることによって、第１のパワースイッチング端子３４と第２のパワースイッチング端子３６との間で電流が導通される順方向導通モードから、第１のパワースイッチング端子３４と第２のパワースイッチング端子３６との間で電流が導通されない遮断モードへ切り替えられ得る（ステップ１００）。ＭＯＳＦＥＴ３０の前にＩＧＢＴ２８を遮断モードにすると、パワーモジュール１０におけるスイッチング損失が減少する。なぜなら、ＩＧＢＴ２８は一般に、デバイス内の少数キャリアの再結合時間のために、順方向導通モードから遮断モードに移行するのに、はるかに長い時間がかかるからである。
[0047]第２に、パワーモジュール１０は、ＩＧＢＴ２８を順方向導通モードにする前に、ＭＯＳＦＥＴ３０を逆方向導通モードにすることによって、遮断モードから順方向導通モードへ切り替えることができる（ステップ１０２）。ＩＧＢＴ２８を順方向導通モードにする前にＭＯＳＦＥＴ３０を逆方向導通モードにすることによって、逆回復プロセスによってドリフト領域から掃引されるのではなく、電荷が再結合することを可能にすることによって逆回復損失を軽減し、それによって、パワーモジュール１０におけるスイッチング損失が減少する。
[0048]いくつかの実施形態では、図４に関して上記で論じたスイッチ位置ＳＷにダイオードも含めることが望ましい場合がある。したがって、図８は、ダイオード４０がＩＧＢＴ２８およびＭＯＳＦＥＴ３０と並列に提供される代替実施形態によるスイッチ位置ＳＷを示す機能概略図である。特に、ダイオード４０は、第２のパワースイッチング端子３６に結合されたアノード接点と、第１のパワースイッチング端子３４に結合されたカソードとを含む。ダイオード４０は、上記で論じたように並列に結合された任意の数のパワー半導体ダイ１６によって提供され得る。
[0049]図９は、スイッチ位置がいくつかのシリコンＩＧＢＴおよびシリコンＰｉＮダイオードで形成された従来のパワーモジュール（実線）と、逆方向電流導通のために、その内部ボディダイオードを使用するいくつかのシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴによってスイッチ位置が形成されたパワーモジュール（太い破線）と、スイッチ位置がいくつかのシリコンカーバイドＩＧＢＴおよびシリコンカーバイドＪＢＳダイオードによって形成された本開示の１つの実施形態によるパワーモジュール１０（細い破線）と、スイッチ位置が
いくつかのシリコンカーバイドＩＧＢＴおよびいくつかのシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴによって形成される本開示の１つの実施形態によるパワーモジュール１０（破線および点線）との、正規化出力パワー対正規化パワー損失を示すグラフである。図示されるように、シリコンカーバイドを利用するすべてのパワーモジュールは、シリコンを利用するパワーモジュールよりもはるかに少ない損失を与える。さらに、シリコンカーバイドＩＧＢＴおよびＪＢＳのダイオードを使用するパワーモジュールは、シリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴのみを使用するパワーモジュールよりも、低出力パワーにおいてはるかに低い損失しか与えない。全体において最も低い損失は、ここで説明するように、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴを使用するパワーモジュールによって与えられる。
[0050]図１０は、パワーモジュール１０の１平方センチメートル当たりのアンペア（Ａ／ｃｍ２）での比電流定格を示すグラフである。図示されるように、パワーモジュール１０の比電流定格は、パワーモジュール１０の電圧定格が増加するにつれて減少する。１つの実施形態では、パワーモジュールの比電流定格は、
Figure 2023164888000004
よりも大きく、ここで、Ｖｂ（ｒ）は、パワーモジュールの定格遮断電圧である。
[0051]当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改善および変更を認識するであろう。そのようなすべての改善および変更は、本明細書に開示される概念および以下の特許請求の範囲内で考慮される。

Claims (19)

  1. 第１のパワースイッチング端子および第２のパワースイッチング端子と、
    複数のパワー半導体デバイスとを備え、前記複数のパワー半導体デバイスは、
    少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタ（ＩＧＢＴ）と、
    少なくとも１つの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）とを備え、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴおよび前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴは、前記第１のパワースイッチング端子と前記第２のパワースイッチング端子との間に並列に結合され、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴおよび前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴは、シリコンカーバイド半導体デバイスである、パワーモジュール。
  2. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのコレクタ接点、および前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのドレイン接点は、前記第１のパワースイッチング端子に結合され、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴのエミッタ接点、および前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのソース接点は、前記第２のパワースイッチング端子に結合される、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのゲート接点、および前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのゲート接点に結合されたスイッチング制御端子をさらに備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのゲート接点に結合された第１のスイッチング制御端子と、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴ、および前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴが独立して制御されるように、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのゲート接点に結合された第２のスイッチング制御端子とをさらに備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
  5. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのゲート接点に結合された第１のスイッチング制御端子と、
    前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのゲート接点に結合された第２のスイッチング制御端子とをさらに備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  6. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴは、複数のＩＧＢＴ半導体ダイを備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  7. 前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴは、複数のＭＯＳＦＥＴ半導体ダイを備える、請求項６に記載のパワーモジュール。
  8. 前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴは、複数のＭＯＳＦＥＴ半導体ダイを備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  9. 前記第１のパワースイッチング端子と前記第２のパワースイッチング端子との間に、前記少なくとも１つのＩＧＢＴ、および前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴと逆並列に結合された少なくとも１つのダイオードをさらに備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  10. 前記少なくとも１つのダイオードは、シリコンカーバイド半導体デバイスである、請求項９に記載のパワーモジュール。
  11. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのコレクタ接点、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのドレイン接点、および前記少なくとも１つのダイオードのカソードは、前記第１のパワースイッチング端子に結合され、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴのエミッタ接点、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのソース接点、および前記少なくとも１つのダイオードのアノードは、前記第２のパワースイッチング端子に結合される、請求項９に記載のパワーモジュール。
  12. 前記パワーモジュールの比電流定格は、
    Figure 2023164888000005
     よりも大きく、ここで、Ｖｂ（ｒ）は、前記パワーモジュールの定格遮断電圧である、請求項１に記載のパワーモジュール。
  13. 第１のパワースイッチング端子および第２のパワースイッチング端子と、
    複数のパワー半導体デバイスとを備え、前記複数のパワー半導体デバイスは、
    少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタ（ＩＧＢＴ）と、
    少なくとも１つのダイオードとを備え、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴおよび前記少なくとも１つのダイオードは、前記第１のパワースイッチング端子と前記第２のパワースイッチング端子との間に逆並列に結合され、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴ、および前記少なくとも１つのダイオードは、シリコンカーバイド半導体デバイスである、パワーモジュール。
  14. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴのコレクタ接点、および前記少なくとも１つのダイオードのカソードは、前記第１のパワースイッチング端子に結合され、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴのエミッタ接点、および前記少なくとも１つのダイオードのアノード接点は、前記第２のパワースイッチング端子に結合される、請求項１３に記載のパワーモジュール。
  15. 前記少なくとも１つのダイオードは、接合バリアショットキーダイオードである、請求項１４に記載のパワーモジュール。
  16. 前記少なくとも１つのＩＧＢＴは、複数のＩＧＢＴを備える、請求項１３に記載のパワーモジュール。
  17. 前記少なくとも１つのダイオードは、複数のダイオードを備える、請求項１６に記載のパワーモジュール。
  18. パワーモジュールであって、
    第１のパワースイッチング端子、第２のパワースイッチング端子、および制御端子と、
    前記第１のパワースイッチング端子、前記第２のパワースイッチング端子、および前記制御端子の間に配置された複数の半導体ダイとを備え、
    前記パワーモジュールは、前記制御端子において提供される制御信号に基づいて、前記第１のパワースイッチング端子と前記第２のパワースイッチング端子との間で選択的に電流を導通するように構成され、
    前記パワーモジュールの比電流定格は、
    Figure 2023164888000006
     よりも大きく、ここで、Ｖｂ（ｒ）は、前記パワーモジュールの定格遮断電圧である、パワーモジュール。
  19. 並列に結合された少なくとも１つのシリコンカーバイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）および少なくとも１つの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備えるパワーモジュールを動作させる方法であって、前記方法は、
    前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを遮断モードにする前に、前記少なくとも１つのＩＧＢＴを遮断モードにすることによって、前記パワーモジュールを順方向導通モードから遮断モードにスイッチするステップと、
    前記少なくとも１つのＩＧＢＴを順方向導通モードにする前に、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを逆方向導通モードにすることによって、前記パワーモジュールを前記遮断モードから前記順方向導通モードにスイッチするステップとを含む、方法。
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