JP3394448B2 - パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体装置に
係り、特に、大容量で高信頼性を達成する高耐圧半導体
モジュールの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
密封して構成したパワー半導体モジュールが知られてい
る。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて各種イ
ンバータ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは
電圧制御型の素子であるので制御が容易であり、大電流
の高周波動作が可能であるなどの利点を有している素子
である。ＩＧＢＴモジュールを大電流化する場合の手法
としては（１）モジュール内部に搭載する半導体素子の
面積を大きくする。（２）モジュール内部に搭載する半
導体素子の搭載数を多くし、各素子を並列動作させる。
の２種類の方法がある。（１）の方法では半導体素子を
作製する場合の欠陥密度を飛躍的に小さくしなければ不
良率とのトレードオフで、ある程度の大きさに制限され
る。また、素子面積が大きくなると通電時に発熱した熱
の冷却効率が半導体素子の中央で周辺より悪くなり、モ
ジュールの熱抵抗が増加する問題がある。そこで５０Ａ
を越えるようなＩＧＢＴモジュールではほとんどの場合
モジュール内部に複数のＩＧＢＴ素子を搭載して並列動
作させる。複数の素子を並列動作させる時、素子間の電
流を均等にする必要がある。例えば、一部の素子に電流
が集中した場合、この素子のみスイッチング耐量を越え
て素子破壊に至ったり、あるいは、集中した素子だけが
温度が上昇し、素子を接合する半田，ワイヤーボンディ
ング部の寿命が低下する。この問題を解決するため、一
般的に並列動作させる素子の特性を揃える方法が取られ
る。また、特開平2−130954 号に示す様にモジュール内
部，外部の配線レイアウトを各素子に対して等価な配置
とする方法が取られていた。

【０００３】更に、素子の大電流化が進み定格電流が５
００Ａを越えるような素子の場合、モジュール内部の主
端子部分での発熱を抑えるため端子の厚さや、幅を大き
くして電流密度を下げる必要がある。しかし、この方法
では流れる電流量に対応して主端子の形状に制約が加わ
り設計が困難になる。また、インバータ等の電力変換装
置の主回路配線としてラミネートされた配線を使用し、
主回路配線のインダクタンスを小さくする電力変換装置
の実装方法ではモジュール内部のインダクタンスも小さ
くする必要がある。しかし、並列動作させる半導体素子
数が増えると各素子間を配線する回路が長くなりモジュ
ールのインダクタンスが大きくなってしまう。この問題
を解決するため従来は特開平8−275841 号に示す様にモ
ジュール内部の素子をモジュール外部で並列接続させる
構造としていた。例えば、モジュール内部で定格の１／
３の素子を構成し、各３組をモジュールの外部で配線し
て並列動作させることにより、主端子の電流量と、モジ
ュールのインダクタンスを１／３に減らす方法が取られ
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、以下のような問題点がある。

【０００５】モジュール内部の各半導体素子の特性や、
モジュール内部の配線のバランスを考慮することでモジ
ュールとしては電流の均一化が図れる。しかし、１台の
モジュール内部の素子をモジュールの外部で並列接続さ
せて動作させる構造では、各主端子を電力変換装置の配
線ブスバーに接続するボルトの接触抵抗の違いによって
各端子に流れる電流のアンバランスが生じる。端子，配
線ブスバーが通常使われる銅材料の場合、接触抵抗は５
０μΩ程度と小さいが、例えば、一部のボルトが緩み、
接触抵抗が１０倍に増加しただけで、スイッチング動作
時にモジュール内部の素子間で１００Ａ以上の電流アン
バランスが生じるケースがある。また、このモジュール
を適用した電力変換装置の主回路配線インダクタンスが
各端子までアンバランスになっている場合も電流の不均
一が生じる。電流アンバランスが発生した場合、モジュ
ール内部で並列動作させた各素子の外部端子間を並列動
作させるために配線したプスバーを通して、制御回路等
の各半導体素子間に電流の流れる経路、いわゆる閉ルー
プを構成する配線に流れるループ電流が生じ、電磁ノイ
ズや誤動作の原因となる。

【０００６】本発明の目的は、接触抵抗の違いや、主回
路の構造のアンバランスにより各素子に流れる電流不均
一を低減し、また、配線のループ電流が小さいことで電
磁ノイズが発生しにくいモジュールを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を対策するため
に、本発明では以下の手段を用いた。

【０００８】１台のモジュールで主電流が流れるエミッ
タのモジュール外部接続数が補助エミッタ配線のモジュ
ール外部接続数より多く、使用時には該複数の主電流が
流れるエミッタ端子をモジュール外部で短絡させて使用
する構造において、モジュールの実装をモジュール外部
接続をボルトで行い、各ボルト締付け部の接触抵抗が５
０μΩ程度で、モジュールのスイッチングスピードを決
めるゲート抵抗をモジュール外部で取付け（モジュール
の構造によって決まるが一般的に１〜２０Ω程度の抵抗
が使われる）て動作させる場合、各エミッタ主端子間を
並列に配線した制御用エミッタ補助端子の配線抵抗を、
モジュール外部でメイン電流が流れる端子を接続する部
分の接触抵抗の１０倍以上、モジュール外部で取付ける
ゲート抵抗の１／１００以下、の範囲にした。その抵抗
値は０.５ｍΩ 〜５０ｍΩの範囲とした。また、エミッ
タ補助端子のインダクタンスを５ｎＨ〜５０ｎＨの範囲
とした。エミッタ補助端子の抵抗を、低インダクタンス
で大きくする手段としては、エミッタ補助端子の材質の
一部、あるいは全てを主端子より抵抗率が大きな材料に
する。あるいは、半導体素子からモジュールのエミッタ
補助端子取出し位置までの間に抵抗素子を設けた。

【０００９】エミッタ補助端子の抵抗を大きくするため
に、主電流の流れる部分と制御用電流が流れる部分の回
路を独立させ、制御用配線には主電流が流れる部分が存
在しない構造とした。

【００１０】コレクタの電圧検出のために各主回路コレ
クタ端子を並列接続した場合も、エミッタと同様に制御
用コレクタ端子の配線抵抗をメイン電流が流れる端子を
接続する部分の接触抵抗の１０倍以上、モジュール外部
で取付けるゲート抵抗の１／１００以下、の範囲にし
た。

【００１１】モジュールの主電流が流れる主端子のモジ
ュール外部接続数が１組の場合でも、モジュール内部に
複数枚の絶縁基板が搭載され、各基板間を並列動作させ
る場合、各基板間の制御用エミッタ補助端子の抵抗を各
基板間で０.５ｍΩ から５０ｍΩの範囲とした。また、
エミッタ補助端子の配線インダクタンスは５〜１００ｎ
Ｈの範囲とした。

【００１２】本発明の前記手段により以下の作用が得ら
れる。

【００１３】各エミッタ主端子間を並列に配線したエミ
ッタ補助端子の配線抵抗をモジュール外部でメイン電流
が流れる端子を接続する部分の接触抵抗の１０倍以上、
モジュール外部で取付けるゲート抵抗の１／１００以下
の範囲にすることで、モジュールを実装した主回路配線
の接触抵抗のばらつきや、各主端子間の配線アンバラン
スが発生した場合にエミッタ補助端子に流れてモジュー
ル内の電流不均一の原因となる電流量を小さくすること
が出来る。また、電流が流れても減衰速度が早く、端子
自身の発熱による問題をなくすことが出来る。さらに、
エミッタ補助配線のインダクタンスを５〜１００ｎＨと
小さくすることで、並列動作させる半導体素子のスイッ
チング時間のずれを小さくすることが出来、誤動作の要
因を抑えることができる。これらの作用により、接触抵
抗の違いや、主回路の構造のアンバランスにより各素子
に流れる電流不均一を低減し、また、配線のループ電流
や、並列動作させる半導体素子のスイッチング時間のば
らつきが小さいため電磁ノイズが発生しにくいモジュー
ルを提供することが出来る。エミッタ補助端子の抵抗を
大きくして、電流のバランスを取る場合、エミッタ補助
端子と、主電流が流れる回路を独立させた方が良い。そ
の理由として、（１）抵抗の大きい部分を分離すること
で通流による端子自身の発熱を抑えることが出来る。
（２）端子部の電圧ドロップを小さくすることが出来、
素子に印加するゲート電圧の制御性が向上する。（３）
制御用回路と主電流が流れる回路が独立しているのでス
イッチング時の急激な電流，電圧の変化による誤動作を
なくすことが出来る。などがある。

【００１４】コレクタ電圧を検出するための端子を配置
したモジュールの場合、モジュール内部で並列接続した
各コレクタ端子を短絡させた場合もエミッタ側と同じ問
題が生じる。この時もイン電流が流れる端子を接続する
部分の接触抵抗の１０倍以上、モジュール外部で取付け
るゲート抵抗の１／１００以下の範囲にし、コレクタ補
助配線のインダクタンスを５〜１００ｎＨと小さくする
ことで、モジュールを実装した主回路配線の接触抵抗の
ばらつきや、各主端子間の配線アンバランスが発生した
場合に発生する並列動作する素子時間に流れる電流量を
小さくすることが出来る。

【００１５】モジュールの外部で主端子を並列接続しな
い場合でも、モジュール内部に複数枚の絶縁基板が搭載
され、各基板間を並列動作させる場合、各基板間の制御
用エミッタ補助端子の抵抗を各基板間で０.５ｍΩ から
５０ｍΩの範囲とすることで基板間のアンバランス電流
を小さくすることが出来るので、モジュール内部の補助
端子や、チップ配置を等価配置とする等の従来のレイア
ウトの制約を緩和し、簡易なモジュール構造とすること
出来る。

【００１６】本発明のモジュールを電力変換装置に適用
した場合、モジュール内部のエミッタ補助端子の抵抗，
インダクタンスによりモジュール内部で並列動作させる
各素子間の電流アンバランスを抑えることが出来るの
で、モジュールを実装する時の配線ブスバーの構造の制
約を小さくすることが出来る。つまり、アンバランスが
ある回路でもモジュール内部のループ電流を抑えること
が出来、誤動作の少ない良好な装置を提供することが出
来る。また、モジュールと配線ブスバーを接続するボル
ト部の接触抵抗のばらつきが大きくても電流のアンバラ
ンスを抑えることが出来るので、長期間の使用に対する
ボルトの緩み等による悪影響を抑え、信頼性の高い装置
を提供することが出来る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施例で、モジュール内
部で３組のＩＧＢＴ素子を並列動作させ、モジュール外
部で並列動作させた各ＩＧＢＴ素子を短絡配線する構造
のモジュールの内部、および外部配線等価回路を示す。
ＩＧＢＴモジュール１０１の内部で並列動作させる各Ｉ
ＧＢＴ素子１０２はスイッチとして構成される。各ＩＧ
ＢＴ素子１０２に対応したコレクタ主端子の抵抗，イン
ダクタンス成分の等価回路１０３とエミッタ主端子の抵
抗，インダクタンス成分の等価回路１０４をモジュール
外部取付け端子位置Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ
３までの回路とした。制御用エミッタ補助端子１０５は
各主端子を短絡させる形で配線する。ＩＧＢＴモジュー
ル１０１を実装した部分の等価回路は、各主端子の外部
取付け端子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を電力
変換装置の配線ブスバー１０８，１０９にボルトで締付
けた時の接触抵抗１０６，１０７を各主端子に直列に抵
抗成分として構成される。ＩＧＢＴのスイッチング動作
を制御する回路は外付けのゲート抵抗１１０とエミッタ
補助端子の外部配線の抵抗，インダクタンス成分の等価
回路１１１を介してゲート制御電源１１２に配線する。

【００１９】図２は図１のＩＧＢＴ素子１０１の内部抵
抗、インダクタンス部分をＩＧＢＴ素子記号として表わ
した等価回路を示す。ＩＧＢＴモジュール１０１は内部
でＩＧＢＴが３回路（２０１，２０２，２０３）並列で
動作する構成となっている。モジュール内部でのゲート
配線２０４とエミッタ補助配線２０５は各ＩＧＢＴ回路
（２０１，２０２，２０３）に並列に配線して並列動作
させる。

【００２０】図３は図１のモジュールを実装した外観で
示す。モジュール１０１の各主端子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は電力変換装置の配線ブスバー１０
８，１０９にボルト３０１により締付ける。モジュール
の制御用配線はゲート配線３０２，エミッタ補助配線３
０３，コレクタ補助配線３０４とそれぞれ１箇所ずつ取
出される。この等価回路で、電力変換装置のブスバーの
設計を各主端子まで等価になるよう設計し、かつ各主端
子の接触抵抗Ｒcontが一定の場合各ＩＧＢＴ素子２０
１，２０２，２０３に流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は均
等になる。しかし、例えば主端子Ｅ１と電力変換装置の
配線ブスバー１０９を締付けているボルト３０１が緩む
とＥ１部のＲcontが大きくなりＩ１が小さくなる。この
時各主端子間の電流をバランスさせるように補助エミッ
タ端子２０５を通してループ電流Ｉｒが流れる。本発明
では図１の等価回路において、エミッタ補助端子の各主
回路配線間の抵抗Ｒｓを、主端子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｅ
１，Ｅ２，Ｅ３を電力変換装置の配線ブスバー１０８，
１０９にボルト３０１で締付けた接触抵抗Ｒcontの１０
倍より大きく、外付けのゲート抵抗Ｒｇ１１０の１／１
００倍より小さくする。Ｒｓをこの範囲にすれば、例え
ば主端子Ｅ１と電力変換装置の配線ブスバー１０９を締
付けているボルト３０１が緩むことで接触抵抗Ｒcontが
一部増加してもループ電流Ｉｒを小さく抑えることが出
来るので、電磁ノイズの発生やスイッチング動作時の誤
動作がない。

【００２１】図４に、図１の等価回路モジュールで、外
付けのゲート抵抗１１０が５Ω、各主端子の接触抵抗が
５０μΩで構成した実装形態で、Ｅ１部の接触抵抗だけ
が他の接触抵抗Ｒcontより１０倍大きい５００μΩとな
った場合にＩＧＢＴ素子をスイッチング動作させた時の
各ＩＧＢＴ素子に流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を示す。
１回目のターンオン時に電流が時間と共に増加するが、
接触抵抗のばらつきによってＩ１＜Ｉ２＜Ｉ３の順に電
流のアンバランスが生じる。この状態でIGBTをターンオ
フさせると配線ブスバー１０９を通って流れる電流Ｉは
０Ａになるが、各電流のアンバランスが発生していた分
ＩＧＢＴ素子のターンオフ時間にずれが生じ、素子間に
ループ電流Ｉｒが流れる。このループ電流Ｉｒは、モジ
ュール内部のエミッタ補助端子抵抗２０５、及び配線ブ
スバー１０９の抵抗で消費され、長い時間の内には０に
収束する。しかし、スイッチング周波数が高いと次のス
イッチングのターンオン時の電流の跳ね上がり電流のピ
ーク値、その後の定常電流の値がアンバランスになる。
このアンバランスした電流差の分モジュール内部でエミ
ッタ補助端子２０５にループ電流Ｉｒが発生している。

【００２２】図５には図４のスイッチング動作時のルー
プ電流Ｉｒの大きさがエミッタ補助端子の抵抗値にどの
ように影響を受けるか計算した結果を示す。また、エミ
ッタ補助端子の抵抗がない場合の損失を基準にして、エ
ミッタ補助端子の抵抗が増えた場合の損失の比率の計算
結果を示す。エミッタ補助端子の抵抗値Ｒｓが大きくな
るとスイッチング時に流れるループ電流量は小さくな
る。また、エミッタ補助配線の発熱から導出された補助
配線許容電流値もエミッタ補助端子の抵抗値Ｒｓが大き
くなると小さくなるが、Ｒｓに流れる電流よりその減少
のカーブは緩やかで、余裕度を大きく取ることが出来
る。Ｒｓを例えば０.５ｍΩ 、すなわち、標準の接触抵
抗の１０倍より大きくすることによりＲｓに流れる電流
を許容電流以下にすることが出来る。スイッチング損失
はエミッタ補助端子の抵抗値Ｒｓが大きくなるとそれに
伴い大きくなる。これは、外付けのゲート抵抗１１０に
直列に抵抗がプラスされる構造になるためで、スイッチ
ングスピードが遅くなり損失が増加する。エミッタ補助
端子の抵抗を５０ｍΩ、すなわち、外付けのゲート抵抗
値の１／１００以下にすることで、外付け抵抗だけの場
合損失を基準にして、損失の増加を５％以下に抑えるこ
とが出来る。エミッタ補助端子の抵抗Ｒｓはモジュール
内部で並列動作させるＩＧＢＴ素子間の抵抗値のため、
図１の等価回路に示すようにモジュール内部で３つのＩ
ＧＢＴを並列動作させる場合、モジュールの外部から見
た各ＩＧＢＴでの補助エミッタ抵抗がＲｓの値だけ違っ
てくる。この値が大きくなるとモジュール内でゲート抵
抗値の不均一が生じ、スイッチング動作時に基板間で時
間のずれが生じるため、モジュール外部取付け抵抗１１
０の値の１／１００以下にする必要がある。抵抗の絶対
値としては０.５ｍΩ 以下にすれば電流のアンバランス
を抑える効果が小さく、逆に５０ｍΩ以上にすれば電流
値は小さくなるがスイッチング動作時に基板間で時間の
ずれが大きくなる。また、配線のインダクタンス成分が
増えても同様にスイッチング動作時に基板間で時間のず
れが生じるため、配線のインダクタンスを５ｎＨから１
００ｎＨの間にする必要がある。

【００２３】表１にモジュール内部のエミッタ補助端子
の抵抗を大きくするための候補材料を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】従来より主端子は端子での電圧ドロップを
避けるため抵抗を小さくするよう設計する。材料も抵抗
率が小さな無酸素銅を使用する場合が多い。これに対し
エミッタ補助端子を表１に示す高抵抗率品を使用するこ
とでエミッタ補助端子の抵抗を本発明範囲内に納めるこ
とが出来る。これらの種類は配線の形状，配線距離等に
よって使い分けることが出来る。また、補助エミッタ端
子全体をこれらの材料で形成しても良いし、２種類以上
の材料を組み合わせて配線しても問題ない。表１には材
料の加工性，耐腐食性を考慮して銅系の材料を多く記載
したが、Ｎｉ等の表面処理を施し、防食処理をすればこ
れにとらわれる必要はない。

【００２６】図６はエミッタ補助端子に抵抗素子を直列
に組込んだ実施例を示す。（ａ）は従来構造を示す。エ
ミッタ補助端子５０１は絶縁基板５０２の両面に銅箔５
０３を例えば銀ろうで接合した絶縁基板に半田５０４で
直接接合している。（ｂ）はエミッタ補助端子の抵抗を
大きくするために両面に電極を持った抵抗素子５０５を
絶縁板５０２上の銅箔５０３と補助エミッタ端子５０１
の間に半田５０４により接合した構造を示す。（ｃ）は
絶縁板５０２上の銅箔５０３のパターンを一部分離し、
電気的に絶縁する。この分離した島パターン５０６と従
来からの銅箔パターン５０３間に片面電極の抵抗素子５
０７を半田５０４により接合した構造を示す。これらの
方法によってエミッタ補助端子の抵抗を増やしても、ル
ープ電流Ｉｒを小さく抑えることが出来るので、電磁ノ
イズの発生やスイッチング動作時の誤動作がない。本実
施例では絶縁基板上に抵抗素子を配置したが、モジュー
ル内部のエミッタ補助配線途中を切断して抵抗を挿入し
た形にしても同じ効果が得られる。

【００２７】図７はモジュール内部の絶縁基板上の半導
体素子，配線パターンの一実施例を示す。

【００２８】ＩＧＢＴ素子６０１はＡｌＮ絶縁基板６０
２上にコレクタ電極の銅箔６０３，エミッタ電極の銅箔
６０４，ゲート電極の銅箔６０５を形成した基板のコレ
クタ電極銅箔６０３上に例えば図示していない半田によ
り接合する。ＩＧＢＴ素子のエミッタ，ゲート電極それ
ぞれ金属ワイヤー６０６により銅箔パターン６０４，６
０５上に配線する。この基板のＩＧＢＴがオンしている
時の主電流はコレクタ端子接続部６０７から、ＩＧＢＴ
素子５０１を通ってエミッタ端子接続部６０８（矢印６
０９の方向）に流れる。この時、補助エミッタ端子接続
部６１０を主電流が流れる位置からずらすことで主電流
回路と独立させた場合、制御用配線に主電流が流れない
ため、素子に印加するゲート電圧制御性が向上する。

【００２９】図８はモジュール内部の補助エミッタ配線
の形状の一例を、図１の等価回路を図７の基板６枚を使
用して実装した例で模擬的に示す。半導体素子を搭載し
た絶縁基板７０１（図７）はモジュールベース７０２上
に例えば図示していない半田により接合する。主回路の
コレクタ主端子７０４，エミッタ主端子７０５は２枚の
絶縁基板７０１の端子接続部分から、３組が独立してＣ
１，Ｃ２，Ｃ３，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を構成する。エミッ
タ補助端子７０６は主端子の電流経路から独立してモジ
ュール外部のエミッタ補助端子取付け位置７０７に配線
されるので制御用端子に主電流が流れず、素子に印加す
るゲート電圧制御性が向上する。

【００３０】図９は主電流の流れる回路の一部を使用し
てエミッタ補助端子を構成する例を示す。（ａ）はモジ
ュール内部の端子の模式図を示す。（ｂ）は等価回路を
示す。図８と同様に主回路のコレクタ主端子８０１は２
枚の絶縁基板７０１の端子接続部分から、３組が独立し
てＣ１，Ｃ２，Ｃ３、を構成する。エミッタ主端子８０
２は２枚の絶縁基板７０１の端子接続部分から、主端子
取付け部分は３組が独立してＥ１，Ｅ２，Ｅ３を構成す
るが各主端子間に渡り配線８０３を構成する。エミッタ
補助端子８０４はエミッタ主端子８０２の一部から１本
エミッタ補助端子取付け位置７０７まで配線される。こ
の構造でも、エミッタ主端子間渡り配線８０２の抵抗Ｒ
ｓを端子を接続する部分の接触抵抗Ｒcontの１０倍以
上、モジュール外部で取付けるゲート抵抗Ｒｇの１／１
００以下の範囲にすることで、制御用エミッタ端子に流
れる電流量を小さくすることが出来る。この構造ではエ
ミッタ補助端子の形状が簡略化出来、モジュール組立が
容易になる利点がある。しかし、（ｂ）の等価回路に示
すようにエミッタ側の主端子配線が補助エミッタ配線１
０４がＩＧＢＴ素子１０１側８０５と外部取付け側８０
６に分けられる。すなわち制御回路の一部に常時主電流
が流れる構造となり、素子に印加するゲート電圧制御が
難しく誤動作を引き起こす可能性がある。そのため、図
８の配線とすることが望ましい。

【００３１】図１０は本発明のモジュールを適用した電
力変換装置の一実施例を示す。この場合は、パワー半導
体装置が２レベルインバータを構成している。一般的に
IGBTモジュール９０１は中間点（Ｂ点）を１本の中間電
位配線９０３で配線出来るように左右を反転させて実装
する。コレクタ側主回路配線９０２とエミッタ側主回路
配線９０４は各々Ｕ，Ｖ，Ｗ相を配線して入力電圧９０
９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴモジュール９０１か
らゲート配線９０５，エミッタ補助端子９０６，コレク
タ補助端子９０７によって構成する。これら電力変換装
置が本発明のモジュールであれば、モジュールの各主端
子に対する主回路配線のアンバランスや、主端子締付け
部分のばらつきによる電流のばらつきが小さく、エミッ
タ補助端子に流れる電流も小さい。それによりインバー
タ装置としての誤動作がない。

【００３２】図１１はモジュールのコレクタ電圧を検出
する回路の一部を変更した場合の実施例を示す。図２で
はコレクタ電圧の検出は３組のＩＧＢＴ素子２０１，２
０２，２０３の内、１箇所のＩＧＢＴ素子２０１から検
出していたが、各素子のばらつき状態によってモジュー
ルの電圧に比べて誤差が生じる可能性がある。本実施例
ではコレクタ電圧検出回路もＩＧＢＴと同様に３組のＩ
ＧＢＴ素子を配線した構造とする。この時のコレクタ間
端子の抵抗，インダクタンス成分の等価回路１００１，
１００２もエミッタ間配線の抵抗と同じように各主端子
を実装する時の接触抵抗の１０倍以上、モジュール外付
け抵抗の１／１００倍以下の範囲にすることでコレクタ
端子間に流れる電流を抑えることが出来る。

【００３３】図１２にはモジュール外部の主端子が１組
の場合の実施例を示す。１台のIGBTモジュール１１０１
で、内部に２組のＩＧＢＴ１１０２，１１０３が並列動
作し、各ＩＧＢＴの主端子をモジュール内部で配線し、
モジュール外部には１組の取付け端子Ｃ，Ｅがある場
合、各ＩＧＢＴの組を同時に制御するためゲート配線１
１０６とエミッタ補助配線１１０７で構成する。この時
ＩＧＢＴ１１０２と１１０３の電流をバランスさせるた
め主端子，エミッタ補助端子の形状を対称構造にした
り、半導体素子の特性を揃える等していた。本発明を用
い、各ＩＧＢＴ１１０２，１１０３間のＩＧＢＴのエミ
ッタ補助端子の配線抵抗を主端子を実装する時の接触抵
抗の１０倍以上、モジュール外付け抵抗１１０８の１／
１００倍以下の範囲にすることで主端子，補助端子の形
状のバランスが悪くなっても電流のアンバランスを防ぐ
ことが出来る。本実施例ではコレクタ側の電圧検出回路
を記載していないが、コレクタ電圧検出回路でコレクタ
側を配線した時も同じ方法で電流のアンバランスを抑え
ることが出来る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば電流のアンバランスを抑
えることが出来るのでモジュール内部で並列動作させて
いるＩＧＢＴの一部に電流が集中することを抑えてモジ
ュールの信頼性向上に効果がある。また、モジュールを
実装する時の接触抵抗のばらつきや、主回路配線のイン
ダクタンスのばらつきが発生しても電流のばらつきを抑
えることが出来、実装上の制約を減らすことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施例の等価回路。

【図２】本発明を適用した一実施例の等価回路。

【図３】本発明を適用したモジュールを実装した場合の
外観図。

【図４】ＩＧＢＴスイッチング動作時の代表波形。

【図５】エミッタ補助端子の抵抗と補助配線に流れる電
流量の関係。

【図６】本発明を適用したエミッタ補助端子の断面構造
図。

【図７】本発明を適用した絶縁基板上のレイアウト図。

【図８】本発明を適用したモジュールの内部端子模擬
図。

【図９】本発明を適用したモジュールの内部端子模擬図
と等価回路。

【図１０】本発明を適用したモジュールを実装した電力
変換装置の一実施例。

【図１１】本発明をコレクタ補助端子に適用した場合の
等価回路。

【図１２】本発明を外部取付け端子が１組の場合に適用
した時の等価回路。

【符号の説明】

１０１，８１７，９０１，１１０１…ＩＧＢＴモジュー
ル、１０２，６０１…ＩＧＢＴ素子、１０３…コレクタ
主端子等価回路、１０４…エミッタ主端子等価回路、１
０５…制御用エミッタ補助端子等価回路、１０６…コレ
クタ主端子側主端子接触抵抗、１０７…エミッタ主端子
側接触抵抗、１０８…コレクタ主回路ブスバー、１０９
…エミッタ主回路ブスバー、１１０，１１０８…外付け
ゲート抵抗、１１１…モジュール外部エミッタ補助端子
等価回路、１１２…ゲート制御電源、２０１，２０２，
２０３…モジュール内部で並列動作するＩＧＢＴ素子、
２０４…モジュール内部ゲート配線、２０５，３０３，
１１０７…エミッタ補助配線、３０１…主端子取付けボ
ルト、３０２，１１０６…ゲート配線、３０４，９０７
…コレクタ補助配線、５０１，７０６，８０４…エミッ
タ補助端子、５０２…絶縁基板、５０３…銅箔、５０４
…半田、５０５…両面電極抵抗素子、５０６…銅箔島パ
ターン、５０７…片面電極島パターン、６０２…絶縁基
板、６０３…コレクタ電極銅箔、６０４…エミッタ電極
銅箔、６０５…ゲート電極銅箔、606…金属ワイヤー、
６０７…コレクタ主端子接続部、６０８…エミッタ主端
子接続部、６０９…主電流経路、６１０…エミッタ補助
端子接続部、７０１…半導体素子搭載絶縁基板、７０２
…モジュールベース、７０４…コレクタ主端子、７０５
…エミッタ主端子、７０７…エミッタ補助端子取出し位
置、８０１…コレクタ主端子、８０２…エミッタ主端
子、８０３…エミッタ主端子間渡り配線、８０５…エミ
ッタ補助端子よりＩＧＢＴ側エミッタ主端子等価回路、
８０６…エミッタ補助端子より取付け位置側エミッタ主
端子等価回路、９０２…コレクタ側主回路配線、９０３
…中性点配線、９０４…エミッタ側主回路配線、９０５
…ゲート配線、９０６…エミッタ補助配線、９０８…負
荷モータ、９０９…入力電圧、1001，１００２…コレク
タ補助端子等価回路、１１０２、１１０３…モジュール
内部で並列動作するＩＧＢＴ、１１０４，１１０５…主
回路配線、１１０９…ゲート電源。

フロントページの続き (72)発明者 清水 英雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 斉藤 隆一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 ▲高▼槌 重靖 茨城県日立市弁天町三丁目10番２号 日 立原町電子工業株式会社内 (72)発明者 苅谷 忠昭 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 中村 清 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所内 (56)参考文献 特開 平４−229079（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 7/5387

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の電圧制御型パワー半導体素子を内
   部に備え、該複数個の電圧制御型半導体素子の夫々のゲ
   ート電極並びに夫々の制御用エミッタ補助電極を内部で
   並列に配線したモジュールを、複数個有するパワー半導
   体装置において、前記モジュールは、前記電圧制御型パワー半導体素子の
   主電流が流れるエミッタのモジュール外部接続端子の数
   が前記エミッタ補助配線のモジュール外部接続端子の数
   より多く、 該 制御用エミッタ端子に接続していて２つの主端子を結
   ぶ配線抵抗が、前記エミッタのモジュール外部端子の接
   触抵抗の１０倍以上かつ、モジュールのゲート端子に取
   付ける外部ゲート抵抗の１／１００以下であって、かつ
   前記配線抵抗が０.５ｍΩ 〜５０ｍΩであることを特徴
   とするパワー半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のパワー半導体装置におい
   て、前記 各エミッタ主端子間を並列に配線した制御用エミッ
   タ端子の配線インダクタンスが５ｎＨ〜１００ｎＨであ
   ることを特徴とするパワー半導体装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載のパワー半導体装置におい
   て、 前記 モジュールに内蔵した電圧制御型パワー半導体素子
   と、エミッタ補助端子の外部接続端子との間に抵抗素子
   を設けたことを特徴とするパワー半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載のパワー半導体装置におい
   て、 前記モジュールの エミッタの主電流が流れる経路と、前
   記各電圧制御型パワー半導体素子を制御するゲートと補
   助エミッタ間の電流の回路をそれぞれ独立させ、制御用
   配線には主電流が流れないことを特徴とするパワー半導
   体装置。
5. 【請求項５】電圧制御型パワー半導体素子を内蔵したモ
   ジュール２個を直列に接続したアームを３個備え、該２
   個のモジュールの接続点を負荷に接続する電力変換装置
   において、 前記モジュールが 請求項１〜４のいずれか１項に記載の
   パワー半導体装置を適用したことを特徴とする電力変換
   装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の電力変換装置において、 前記モジュールのエミッタ接続端子およびコレクタ接続
   端子が、配線ブスバーにボルト締めで接続されているこ
   とを特徴とする電力変換装置。