JP3891015B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータなどの電力変換装置に用いる電力半導体スイッチング素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタ，絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、あるいはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などはモータ等の負荷を駆動する半導体スイッチング素子、あるいは送変電設備などにおける変換用の半導体スイッチング素子として用いられている。
【０００３】
これら、半導体スイッチング素子は、順方向素子耐圧に比べて、逆方向の素子耐圧が低いので、逆方向の過電圧印加を防止するために、フリーホイールダイオードと呼ばれる整流素子を半導体スイッチング素子の主端子に並列接続し、半導体スイッチング素子の破壊を防止している。
【０００４】
図２に従来技術のＩＧＢＴモジュールの一例を示す。図２において、１はIGBTチップ、２はコレクタ、３はエミッタ、４はゲート、５はダイオードチップ、６はカソード、７はアノードを示す。ＩＧＢＴモジュールの内部には、１つのIGBTチップ１と、２並列のダイオードチップ５が同一パッケージにマウントされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体スイッチング素子の主端子に並列接続した前記整流素子は、定常的な導通状態においては、その電圧降下が、半導体スイッチング素子の逆方向電圧よりも低く設定される。しかし、整流素子が、オフ状態から、高い電流上昇率（ｄｉ／ｄｔ）でオン状態に移行すると、過渡的に半導体スイッチング素子の逆方向耐電圧を超える電圧が整流素子に生じ、半導体スイッチング素子が過電圧状態になり、しいては破壊に至らしめる。
【０００６】
本発明の目的は、高い電流上昇率（ｄｉ／ｄｔ）で整流素子に電流が流れ込んでもＩＧＢＴやＧＴＯ等の半導体スイッチング素子の破壊を防止できる電力半導体装置の提供である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力半導体モジュールでは、ＩＧＢＴやＧＴＯ，パワーＭＯＳＦＥＴといった半導体スイッチング素子の順方向素子電圧をＶｓｗ、その直列接続数をＮｓｗとし、これに並列接続するダイオードの逆素子電圧をＶｄｉｄ、直列数をＮｄｉｄとすると、それらは（数１）式の関係になる。
【０００８】
Ｖｓｗ＞Ｖｄｉｄ かつ、Ｎｓｗ＜Ｎｄｉｄ …（数１）
高耐圧のダイオードと低耐圧のダイオードとを比較した場合、以下の違いがある。整流素子であるダイオードの抵抗率は耐圧にほぼ比例して上昇する。また、ダイオードのアノード電極とカソード電極との間の距離は耐圧にほぼ比例して増す。このため、高耐圧素子の耐電圧をＶＨＶに同等の耐圧を得るために必要となる、低耐圧整流素子の耐電圧ＶＬＶと直列数ＮＬＶとの関係は、（数２）式で表現できる。
【０００９】
ＶＬＶ・ＮＬＶ＝ＨＶ …（数２）
ダイオードに順方向電流が流れ始めた直後のダイオードの抵抗はダイオードを構成する、半導体の抵抗に一致する。その後ダイオードに流れる電流が増加し、さらにほぼ一定値となり、ダイオードが定常状態になる。この定常状態になるまでの時間は、ダイオードのアノード電極とカソード電極との間の距離に比例する。従って、耐圧の低いダイオードでは、定常状態に達する時間が耐圧が高いダイオードより短い。
【００１０】
本発明のＩＧＢＴモジュールでは、耐圧が高いダイオードを１つ接続するのではなく、同じ電圧に耐える様に耐圧が低いダイオードを直列に複数段接続し、短い時間で導通状態に移行する。ここで、直列に接続するダイオードの数はIGBTチップのコレクタ端子とエミッタ端子の間の耐圧に同じかそれより大きくなるように選んで決める。また、本発明のＩＧＢＴモジュールでは、順回復電圧を低減することで、逆耐圧の低いスイッチング素子を破壊に至らしめることなく、スイッチング動作できる。
【００１１】
なお、ＩＧＢＴモジュールがＩＧＢＴチップを２個以上直列に接続している場合には、直列接続したＩＧＢＴチップのＩＧＢＴチップ１個の順方向耐圧より低い耐圧のダイオード，複数個直列接続し、上記と同様にこの直列接続したダイオードの耐圧が、直列接続したＩＧＢＴチップの順方向耐圧より大きいかあるいは等しくなるようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。
【００１３】
図１に本発明の半導体素子の一例としてＩＧＢＴモジュールの構成を示す。図１において、１はＩＧＢＴチップ、２はコレクタ、３はエミッタ、４はゲート、５はダイオードチップ、６はカソード、７はアノードを示す。図１に示すように、ＩＧＢＴモジュールには、コレクタ２，エミッタ３，ゲート４が外部端子として備わっている。ＩＧＢＴモジュールの内部には、１直列のＩＧＢＴチップ１，２直列のダイオードチップ５が同一パッケージにマウントされており、ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ５のそれぞれの電極が、半田付けや、ワイヤボンディングで接続している。
【００１４】
ここで、直列接続するダイオードチップ５の個数ＮＬＶは、２個以上であれば特に制限はないが、好ましくは２〜８個、より好ましくは２〜４個である。接続するダイオードチップ５の個数ＮＬＶを多くすると、ダイオードが定常電流に到達する時間が短いダイオードをモジュールに使える。また、ダイオードチップ５の個数ＮＬＶを少なくするとモジュールパッケージ内のボンディング数を減らすことができ、モジュールを小型にできる。
【００１５】
なお、ＩＧＢＴではコレクタ２を第一の電極とし、エミッタ３を第二の電極とし、コレクタから、エミッタへの主電流を制御するゲート４が第三の電極とする。また、ＧＴＯでは、同様に、第一，第二，第三の電極がそれぞれ、アノード，カソード，ゲートに相当し、パワーＭＯＳＦＥＴでは第一，第二，第三の電極がそれぞれ、ドレイン，ソース，ゲートに相当する。第一の電極と、第二の電極との間には整流素子であるダイオードが接続され、第一の電極が整流素子のカソードに、第二の電極が整流素子のアノードにそれぞれ接続する。
【００１６】
本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、ＩＧＢＴチップ１が、順方向の耐圧6.5ｋＶ，定格電流１００Ａであり、ダイオードチップ５が、耐圧３.３ｋＶ ，定格電流１００Ａである。また、図２に示す従来技術のＩＧＢＴモジュールでは、
ＩＧＢＴチップ１の定格が図１と同じであり、定格電流５０Ａ，耐圧６.５ｋＶ のダイオードチップが２個並列に接続している。なお、何れのＩＧＢＴチップ１も逆方向の耐圧は３００Ｖである。
【００１７】
図３は、図１あるいは図２のＩＧＢＴモジュールを用いた、同期電動機駆動用３相インバータ回路の説明図である。図３中、符号８で示す四角（Ｕ，Ｖ，Ｗ及びＸ，Ｙ，Ｚ）の部分が、図１あるいは図２に示したＩＧＢＴモジュールである。図３において、９は電圧源、１０は電動機であり、ＩＧＢＴモジュール８の
ＰＷＭスイッチング制御回路やモータの回転子位置検出回路，インバータの出力電流検出器や電圧源の電流検出回路などは記載を省略してある。なお、図１で
ＩＧＢＴチップ１に代え、ＧＴＯや、パワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子にしたモジュールを図３に用いても良い。
【００１８】
図４は、図３のインバータ回路のＩＧＢＴモジュールＵとして、図２に示す従来技術のモジュールを用いた場合の電圧波形（ａ）と、電流波形（ｂ）とを示す。また、図５は、図３のインバータ回路のＩＧＢＴモジュールＵとして、図１に記載の本実施例のモジュールを用いた場合の電圧波形（ａ）と、電流波形（ｂ）とである。
【００１９】
図３で、ＩＧＢＴモジュールＸが実線の矢印の電流で示すオン状態からゲート制御によってターンオフ状態に移行すると、ＩＧＢＴモジュールＸの電流の減少に伴って、高い電流上昇率（ｄｉ／ｄｔ）で、ＩＧＢＴモジュールＵのダイオードに、図３中の点線の矢印で示すように電流が流れようとする。この、電流により、ＩＧＢＴモジュール中のダイオードの電圧は、図５（ｂ）に示すように本実施例の場合には、２００Ｖであり、図４に示す従来技術では３００Ｖであった。ＩＧＢＴモジュール内に耐圧が低い２つのダイオードを直列に接続した本実施例では、耐圧が高い１つのダイオードをモジュールに備えている従来技術のものの２／３のダイオード電圧に低減できた。一方、ＩＧＢＴの逆方向耐圧は順方向耐圧が６.５ｋＶ であるのに対し、３００Ｖと低い。そのために、従来技術のIGBTモジュールでは、ＩＧＢＴの逆耐圧を越えてしまう。
【００２０】
このように本実施例のＩＧＢＴモジュールでは、順回復電圧が２００ＶとIGBTの逆耐圧に対して十分な余裕があり、さらには、本発明のＩＧＢＴモジュールを組み込んだ、図３に示すインバータシステムでは早いスイッチングスピードの条件でも安定した電力制御が達成できる。
【００２１】
【発明の効果】
高い電流上昇率（ｄｉ／ｄｔ）で整流素子であるダイオードに電流が流れ込んでもＩＧＢＴやＧＴＯ等の半導体スイッチング素子の破壊を防止できる。さらには、本発明の半導体素子を組み込んだインバータシステムでは、広い動作条件で安定した動作ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例ＩＧＢＴモジュールの説明図である。
【図２】従来技術のＩＧＢＴモジュールの説明図である。
【図３】ＩＧＢＴモジュールを用いたモータ駆動用インバータシステムの説明図である。
【図４】従来技術のＩＧＢＴモジュールを図３のインバータシステムに適用した場合の電流電圧波形の説明図である。
【図５】本発明のＩＧＢＴモジュールを図３のインバータシステムに適用した場合の電流電圧波形の説明図である。
【符号の説明】
１…ＩＧＢＴチップ、２…コレクタ、３…エミッタ、４…ゲート、５…ダイオードチップ、６…カソード、７…アノード、８…ＩＧＢＴモジュール、９…電圧源、１０…電動機。

Claims (5)

1. 半導体スイッチング素子と、複数の整流素子とを備えた半導体装置において、
   前記半導体スイッチングが、主電流を流す第一の電極と第二の電極及び前記主電流を制御する第三の電極を具備していると共に、前記複数の整流素子が直列に接続していて、該直列に接続している整流素子のカソードが前記半導体スイッチング素子の第一の電極に接続し、前記直列に接続している整流素子のアノードが前記半導体スイッチング素子の第二の電極に接続し、かつ、前記複数の整流素子の直列数が、前記半導体スイッチング素子の直列数より多く、前記直列接続した整流素子の耐電圧の合計が、前記半導体スイッチング素子の順方向の耐電圧より大きいか等しいことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体スイッチング素子が絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、前記整流素子がダイオードであることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体スイッチング素子がパワーＭＯＳＦＥＴであって、前記整流素子がダイオードであることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体スイッチング素子がゲートターンオフサイリスタであって、前記整流素子がダイオードであることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、
   前記ダイオードが２〜８個直列に接続されていることを特徴とする半導体装置。

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