JP4581717B2 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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Description

この発明は、電力用半導体モジュールの内部構造に関する。
図10に、電圧駆動型半導体素子としてIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)を使用した、一般的な電力用半導体モジュールの内部等価回路を示す。同図において、Q11,Q12はIGBTチップ、D11,D12はダイオードチップ、Gはゲート端子、Cはコレクタ端子、Eはエミッタ端子である。ここでは、電流容量を大きくするために、IGBTチップとダイオードチップをそれぞれ並列に接続した例を示す。
図11に、図10のような回路を構成する電力用半導体モジュールの内部構造例を示す(このようなものは、例えば特許文献1に開示されている)。
図11において、1,2はIGBTチップ、3,4はダイオードチップ、5はコレクタ導体、6はゲート導体、7は絶縁基板、8は金属ベース板である。図示のように、IGBTチップのコレクタとダイオードチップのカソードを電気的に接着したコレクタ導体5と、金属ベース板8との間が絶縁基板7によって絶縁され、IGBTチップのエミッタとダイオードチップのアノードが、ワイヤボンディングによって接続されている。
特開平10−163416号公報(第3−4頁、図1)
従来の電力用半導体モジュールは図11のような内部構造になっていることから、定格電圧はIGBTチップとダイオードチップの耐圧によって決定され、定格電流はIGBTチップとダイオードチップの並列数によって決定される。したがって、従来の電力用半導体モジュールの定格電圧を高くするためには、高耐圧なIGBTチップとダイオードチップを用いる必要があり、定格電流を増加させるためには、IGBTチップとダイオードチップの並列数を増やすことが必要である。
以上のことから、電力用半導体モジュールの高耐圧大容量化を図る場合、半導体チップの発生損失やスイッチング時間が増大し、冷却装置の大型化や制御性能低下などの問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、半導体チップの発生損失やスイッチング時間の増大を抑え、高耐圧大容量化を可能にすることにある。
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電圧駆動型半導体チップとこれに逆並列接続されるダイオードチップとを組として絶縁基板上に搭載したパワー半導体チップを、金属ベース板上に搭載して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体チップを複数個直列に接続し、複数個同時にスイッチングさせるに当って、前記各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすために、前記絶縁基板の少なくとも1枚の厚さ、または面積、もしくは誘電率の少なくとも1つの物理的特徴を、他の絶縁基板に対して異ならせることを特徴とする。
この発明によれば、低耐圧のパワー半導体チップを直列接続し、スイッチング時の各半導体チップ間の電圧アンバランスを抑制する内部構造でパッケージ化し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングさせることで、発生損失やスイッチング時間を低減したので高耐圧大容量の半導体モジュールを実現することができる。また、この発明による電力用半導体モジュールを、特に高耐圧大容量の電力変換装置に適用することで、装置の小型化や制御性能の高速化を図ることが可能となる。
図1はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、1200V耐圧の半導体チップ(VCE1=VCE2=VCE3=VCE4=1200V)を4直列2並列に接続し、4500V耐圧に適う電力用半導体モジュールとした例である。すなわち、1,2,9,10,16,17,23,24は1200V耐圧のIGBTチップ、3,4,11,12,18,19,25,26は1200V耐圧のダイオードチップ、5,13,20,27はコレクタ導体、6,14,21,28はゲート導体、7,15,22,29は絶縁基板、8は金属ベース板である。ここで、絶縁基板15,22の厚さは、絶縁基板7,29より厚いものを用いている。
図1に示すように、IGBTチップのコレクタとダイオードチップのカソードを、電気的に接着したコレクタ導体が各絶縁基板上にマウントされ、IGBTチップのエミッタとダイオードチップのアノードがワイヤボンディングによって接続される。これらの半導体チップを金属ベース板上に搭載し、ワイヤボンディングによって電気的に直列接続することで、図2に示す回路を構成する。
そして、図1の各IGBTチップのゲート端子に、ゲート導体を介して同時タイミングのゲート信号を入力し、各半導体チップを同時にスイッチングさせることにより、電力用半導体モジュールの見かけ上の耐圧は4800V(1200V×4直列)となり、4500V耐圧に充分適う電力用半導体モジュールを得ることができる。
図3に、直列接続した耐圧の低い(一般的に1200V以下)半導体チップを適用したこの発明による電力用半導体モジュールと、高耐圧(一般的に3300V以上)の半導体チップを適用した従来の電力用半導体モジュールとのターンオフ波形の比較例を示す。図3より、この発明による電力用半導体モジュールの方(実線参照)が、従来の電力用半導体モジュール(点線参照)と比較して、スイッチング時間とスイッチング損失を低減できることが分かる。これは、一般的に1200V耐圧以下のIGBTチップまたはダイオードチップは、3300V以上の高耐圧なチップと比較して、スイッチング時間が1/10程度であり、また、複数個の半導体チップを直列接続しても、1/3程度の損失にすることができるためである。
図2に示す直列接続回路において、各半導体チップを同時スイッチングした場合、各半導体チップ間で電圧アンバランスが発生し、場合によっては素子破壊を招く可能性がある。図4に、各半導体チップ間で電圧アンバランスがある場合の、各半導体チップのターンオフ波形例を示す。この電圧アンバランスは図5に示すように、各半導体チップ1,9,16,23と金属ベース板8との間に存在する寄生キャパシタンスCSが、金属ベース板8によって互いに接続されることによって、各半導体チップの等価的な出力容量がばらついてしまうために発生するものと考えられる。
そこで、この発明では、厚さがそれぞれ異なる絶縁基板を使用(図1において、絶縁基板15,22には絶縁基板7,29よりも厚いものを使用)することで、各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすもので、電圧アンバランスを抑制することが可能となる。図6に、この発明により電圧アンバランスが抑制された各半導体チップのターンオフ波形例を示す。
以上のことから、この発明では、発生損失やスイッチング時間を低減した高耐圧大容量の電力用半導体モジュールを実現でき、さらには電力用半導体モジュール内の各半導体チップ間の電圧アンバランスを抑制することができる。
図7にこの発明の第2の実施の形態を示す。
これは、各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすために、絶縁基板の面積を互いに異ならせた例で、具体的には絶縁基板15,22には絶縁基板7,29よりも面積の狭い(小さい)ものを使用した例である。その他は図1と同様なので、詳細は省略する。
図8にこの発明の第3の実施の形態を示す。
これは、各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすために、絶縁基板の誘電率を互いに異ならせた例で、具体的には絶縁基板15,22には絶縁基板7,29よりも誘電率の小さいものを使用した例である。その他は図1と同様なので、詳細は省略する。
図9この発明の第4の実施の形態を示す。
これは、各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすために、上記の実施の形態を組合わせた例で、具体的には絶縁基板29を標準として、絶縁基板7は面積、絶縁基板15は誘電率、絶縁基板22は厚さを示す物理的特徴をそれぞれ異ならせたものである。その他は図1と同様なので、詳細は省略する。
この発明は、電圧駆動型半導体チップのみを直列接続した場合、またはダイオードチップのみを直列接続した場合にも適用可能なことは云うまでもない。

この発明の第1の実施の形態を示す構造図 図1の等価回路図 従来のモジュールとこの発明のモジュールとを用いた場合のターンオフ波形例図 半導体チップ間でアンバランスがある場合のターンオフ波形例図 寄生キャパシタの説明図 電圧アンバランスを抑制した場合のターンオフ波形例図 この発明の第2の実施の形態を示す構造図 この発明の第3の実施の形態を示す構造図 この発明の第4の実施の形態を示す構造図 IGBTを用いた電力モジュールの例を示す等価回路図 IGBTを用いた電力モジュールの例を示す構造図
符号の説明
1,2,9,10,16,17,23,24…IGBTチップ、3,4,11,12,18,19,25,26…ダイオードチップ、5,13,20,27…コレクタ導体、6,14,21,28…ゲート導体、7,15,22,29…絶縁基板、8…金属ベース板。

Claims (1)

  1. 電圧駆動型半導体チップとこれに逆並列接続されるダイオードチップとを組として絶縁基板上に搭載したパワー半導体チップを、金属ベース板上に搭載して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
    前記パワー半導体チップを複数個直列に接続し、複数個同時にスイッチングさせるに当って、前記各半導体チップの等価的な出力容量のばらつきをなくすために、前記絶縁基板の少なくとも1枚の厚さ、または面積、もしくは誘電率の少なくとも1つの物理的特徴を、他の絶縁基板に対して異ならせることを特徴とする電力用半導体モジュール。
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