JP5355506B2

JP5355506B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5355506B2
Application number: JP2010152377A
Authority: JP
Inventors: 智代江越; 貞夫篠原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2012015418A

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、例えば電流経路のインダクタンスが異なる複数の半導体素子に対して、インダクタンス差を相殺するようにインピーダンス差を設けた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２６１０３５号公報

ところで、上記従来技術に係る半導体装置においては、インバータモジュールなどの高電圧のパワーモジュールと、例えばパワーモジュールを保持する筐体などのボディとの間は絶縁されており、この絶縁に起因してコモンノイズが発生する。コモンノイズは、スイッチング素子をなす半導体素子のスイッチング速度が速くなるほど増大することから、コモンノイズを低減することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、コモンノイズを低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る半導体装置は、直列に接続された１対の半導体素子（例えば、実施の形態での半導体スイッチング素子１１，１２）と、前記１対の半導体素子の一方（例えば、実施の形態での半導体スイッチング素子１１）に接続された正極部材（例えば、実施の形態での正極端子（Ｐ）１３）と、前記１対の半導体素子の他方（例えば、実施の形態での半導体スイッチング素子１２）に接続された負極部材（例えば、実施の形態での負極端子（Ｎ）１４）と、前記１対の半導体素子の接続点に接続された出力部材（例えば、実施の形態での出力端子（ＯＵＴ）１５）とを具備する半導体モジュール（例えば、実施の形態での半導体モジュール１６）と、前記半導体モジュールに対して絶縁されたボディ（例えば、実施の形態でのボディ１７）とを備える半導体装置であって、前記ボディと前記正極部材との間の浮遊容量Ｃ１と、前記ボディと前記負極部材との間の浮遊容量Ｃ３とに対して、前記出力部材と前記ボディとの間で、前記出力部材の浮遊容量Ｃ２と前記浮遊容量Ｃ１とが直列接続または前記出力部材の浮遊容量Ｃ２と前記浮遊容量Ｃ３とが直列接続になるようにして、前記出力部材は、前記正極部材または前記負極部材の表面上に積層されて配置されている。

さらに、本発明の第２態様に係る半導体装置は、前記浮遊容量Ｃ１と、前記浮遊容量Ｃ２と、前記浮遊容量Ｃ３と、前記ボディとデバイス（例えば、実施の形態でのバッテリ１９）との間の浮遊容量Ｃ０と、前記ボディの浮遊インダクタンスＬｂと、コモンノイズの電流経路に応じた角速度ωとに対して、下記数式（１）および下記数式（２）を満たす。

本発明の第１態様に係る半導体装置によれば、出力部材とボディとの間に正極部材または負極部材が配置されるようにして、正極部材または負極部材の表面上に出力部材を積層して配置することによって、出力部材とボディとの間で、出力部材の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ１とを直列接続または出力部材の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とを直列接続にすることができる。これにより、出力部材とボディとの間で浮遊容量Ｃ２のみが生じる場合に比べて、出力部材とボディとの間で、出力部材の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ１とが直列接続または出力部材の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが直列接続になることで、浮遊容量Ｃ２を小さくすることができる。そして、半導体素子によるスイッチング時の浮遊容量Ｃ２の電圧変動を小さくすることができ、コモンノイズを低減することができる。

本発明の第２態様に係る半導体装置によれば、各浮遊容量Ｃ１，Ｃ３または浮遊容量Ｃ２、あるいは、各浮遊容量Ｃ１，Ｃ３および浮遊容量Ｃ２の大きさを、上記数式（１）および上記数式（２）を満たすようにして、相対的に設定することによって、半導体素子によるスイッチング時の浮遊容量Ｃ２の電圧変動を小さくすることができる。
しかも、浮遊容量Ｃ２で発生した電流は、浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ０、または、浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ３とに分かれて通流することになるが、相対的に浮遊容量Ｃ０に比べてインピーダンスが低い浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ３とに、より大きな電流が流れることから、コモン電流を小さくすることができ、コモンノイズの発生を低減することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の構成図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の一部の構成図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の実施例と比較例とにおけるコモン電流の時間変化の例を示す図である。本発明の実施形態の第１変形例に係る半導体装置の一部の構成図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る半導体装置の構成図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る半導体装置の一部の構成図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る半導体装置の実施例と比較例とにおけるコモン電流の時間変化の例を示す図である。本発明の実施形態の第３変形例に係る半導体装置の一部の構成図である。

以下、本発明の半導体装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施の形態による半導体装置１０は、例えば車両に搭載されたモータ制御系のインバータ装置などを構成し、例えば図１に示すように、直列に接続された１対の半導体スイッチング素子１１，１２と、正極端子（Ｐ）１３と、負極端子（Ｎ）１４と、出力端子（ＯＵＴ）１５とを具備する半導体モジュール１６と、半導体モジュール１６に対して絶縁されたボディ１７と、負荷１８と、バッテリ１９とを備えて構成されている。

半導体スイッチング素子１１，１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）であって、ハイ側の半導体スイッチング素子１１のソースとロー側の半導体スイッチング素子１２のドレインとが出力端子（ＯＵＴ）１５で接続されていることで、１対の半導体スイッチング素子１１，１２が直列に接続されている。
そして、ハイ側の半導体スイッチング素子１１はドレインが正極端子（Ｐ）１３に接続され、ロー側の半導体スイッチング素子１２はソースが負極端子（Ｎ）１４に接続されている。
なお、各半導体スイッチング素子１１，１２のドレイン−ソース間には、ソースからドレインに向けて順方向となるようにして、各ダイオードが接続されている。
なお、半導体スイッチング素子１１，１２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor）などであってもよい。

そして、正極端子（Ｐ）１３と出力端子（ＯＵＴ）１５との間には負荷１８が接続され、正極端子（Ｐ）１３はバッテリ１９の正極側に接続され、負極端子（Ｎ）１４はバッテリ１９の負極側に接続されている。

正極端子（Ｐ）１３および負極端子（Ｎ）１４は、例えば図２に示す実施例のように、ヒートシンクおよびヒートスプレッタなどから構成される放熱部材２１に共通の絶縁部材２２を介して装着された各電極部材２３Ａ，２３Ｂにより構成されている。
また、出力端子（ＯＵＴ）１５は、負極端子（Ｎ）１４の電極部材２３Ｂの表面上に絶縁部材２２Ｃを介して積層するようにして配置された電極部材２３Ｃにより構成されている。

そして、正極端子（Ｐ）１３の電極部材２３Ａに半導体スイッチング素子１１が装着されて、半導体スイッチング素子１１のドレインが電極部材２３Ａに接続され、出力端子（ＯＵＴ）１５の電極部材２３Ｃに半導体スイッチング素子１２が装着されて、半導体スイッチング素子１２のドレインが電極部材２３Ｃに接続されている。
そして、半導体スイッチング素子１１のソースは導線２４Ａによって出力端子（ＯＵＴ）１５の電極部材２３Ｃに接続され、半導体スイッチング素子１２のソースは導線２４Ｂによって負極端子（Ｎ）１４の電極部材２３Ｂに接続されている。
なお、各導線２４Ａ，２４Ｂは、例えば複数本のボンディングワイヤが重ねられて形成されることでインダクタンスが低減されて、サージ電圧が低減される。

この半導体装置１０では、負極端子（Ｎ）１４の表面上に出力端子（ＯＵＴ）１５が積層されて配置されることで、ボディ１７と負極端子（Ｎ）１４との間の浮遊容量Ｃ３に対して、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で、出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが直列接続になる。このため、浮遊容量Ｃ２が出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で生じる場合（例えば、出力端子（ＯＵＴ）１５が放熱部材２１に絶縁部材２２Ｃを介して装着された電極部材２３Ｃにより構成される場合など）に比べて、浮遊容量Ｃ２を小さくすることができる。

例えば図３に示すように、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが直列接続になる実施例では、各端子１５，１４とボディ１７との間で浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが独立に生じる比較例に比べて、コモン電流のピーク値（Ｉｐｅａｋ）が低減されて、コモンノイズが減少している。

さらに、この半導体装置１０では、ボディ１７と正極端子（Ｐ）１３との間の浮遊容量Ｃ１と、出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と、ボディ１７と負極端子（Ｎ）１４との間の浮遊容量Ｃ３と、ボディ１７と、バッテリ１９およびモータ（図示略）および三相線（図示略）などからなるデバイスとの間の浮遊容量Ｃ０と、ボディ１７の浮遊インダクタンスＬｂと、コモンノイズの電流経路に応じた角速度ωとに対して、下記数式（３），（４）を満たすように設定されている。

例えば上記数式（４）に示す浮遊容量Ｃ１，Ｃ３と浮遊容量Ｃ２との相対的な大小は、正極端子（Ｐ）１３の板状の電極部材２３Ａおよび負極端子（Ｎ）１４の板状の電極部材２３Ｂと、出力端子（ＯＵＴ）１５の板状の電極部材２３Ｃとに対して、面積Ｓと厚さｄと誘電率εとのパラメータの少なくとも何れかの大小に応じて設定される。

上述したように、本発明の実施形態による半導体装置１０によれば、出力端子（ＯＵＴ）１５および負極端子（Ｎ）１４とボディ１７との間で浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが独立に生じる場合に比べて、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で、出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とが直列接続になることで、浮遊容量Ｃ２を小さくすることができる。これにより、半導体スイッチング素子１１，１２によるスイッチング時の浮遊容量Ｃ２の電圧変動を小さくすることができ、コモンノイズを低減することができる。

さらに、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間に負極端子（Ｎ）１４が配置されるようにして、負極端子（Ｎ）１４の表面上に出力端子（ＯＵＴ）１５を積層して配置することによって、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で、出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ３とを直列接続にすることができる。
しかも、出力端子（ＯＵＴ）１５は負極端子（Ｎ）１４の表面上に配置されることで、放熱性を向上させることができる。

さらに、各浮遊容量Ｃ１，Ｃ３または浮遊容量Ｃ２、あるいは、各浮遊容量Ｃ１，Ｃ３および浮遊容量Ｃ２の大きさを、上記数式（３）および上記数式（４）を満たすようにして、相対的に設定することによって、半導体スイッチング素子１１，１２によるスイッチング時の浮遊容量Ｃ２の電圧変動を小さくすることができる。
しかも、浮遊容量Ｃ２で発生した電流は、浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ０、または、浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ３とに分かれて通流することになるが、相対的に浮遊容量Ｃ０に比べてインピーダンスが低い浮遊容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ３とに、より大きな電流が流れることから、コモン電流を小さくすることができ、コモンノイズの発生を低減することができる。

さらに、各電極部材２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの面積Ｓと厚さｄと誘電率εとのうちの少なくとも何れかにより、各浮遊容量Ｃ０，…，Ｃ３の相対的な大小を容易に設定することができる。
なお、各電極部材２３Ａ，２３Ｂの面積Ｓは、例えば相違していてもよいし、例えば同一であってもよく、例えば同一であれば生産性を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図４に示す第１変形例のように、正極端子（Ｐ）１３および負極端子（Ｎ）１４に対して、共通の絶縁部材２２の代わりに、個別の各絶縁部材２２Ａ，２２Ｂが備えられてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図５，図６に示す第２変形例のように、出力端子（ＯＵＴ）１５は、正極端子（Ｐ）１３の電極部材２３Ａの表面上に絶縁部材２２Ｃを介して積層するようにして配置された電極部材２３Ｃにより構成されてもよい。

この第２変形例の半導体装置１０では、正極端子（Ｐ）１３の表面上に出力端子（ＯＵＴ）１５が積層されて配置されることで、ボディ１７と正極端子（Ｐ）１３との間の浮遊容量Ｃ１に対して、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で、出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ１とが直列接続になる。このため、浮遊容量Ｃ２が出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で生じる場合（例えば、出力端子（ＯＵＴ）１５が放熱部材２１に絶縁部材２２Ｃを介して装着された電極部材２３Ｃにより構成される場合など）に比べて、浮遊容量Ｃ２を小さくすることができる。

例えば図７に示すように、出力端子（ＯＵＴ）１５とボディ１７との間で出力端子（ＯＵＴ）１５の浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ１とが直列接続になる実施例では、各端子１５，１３とボディ１７との間で浮遊容量Ｃ２と浮遊容量Ｃ１とが独立に生じる比較例に比べて、コモン電流のピーク値（Ｉｐｅａｋ）が低減されて、コモンノイズが減少している。

なお、上述した実施の形態の第２変形例においては、各電極部材２３Ａ，２３Ｂの面積Ｓは、例えば相違していてもよいし、例えば同一であってもよく、例えば同一であれば生産性を向上させることができる。また、負極端子（Ｎ）１４の電極部材２３Ｂには導線２４Ｂが接続されるだけであるから、負極端子（Ｎ）１４の電極部材２３Ｂは、正極端子（Ｐ）１３の電極部材２３Ａに比べて、より小さな面積Ｓであってもよい。

なお、上述した実施の形態の第２変形例においては、例えば図８に示す第３変形例のように、正極端子（Ｐ）１３および負極端子（Ｎ）１４に対して、共通の絶縁部材２２の代わりに、個別の各絶縁部材２２Ａ，２２Ｂが備えられてもよい。

なお、上述した実施の形態および第１〜第３の変形例において、各電極部材２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの厚さ、あるいは、単一の絶縁部材２２の厚さは、各電極部材２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃに対して異なっていてもよい。

１０半導体装置
１１，１２半導体スイッチング素子（半導体素子）
１３正極端子（正極部材）
１４負極端子（負極部材）
１５出力端子（出力部材）
１６半導体モジュール
１９バッテリ（デバイス）

Claims

直列に接続された１対の半導体素子と、前記１対の半導体素子の一方に接続された正極部材と、前記１対の半導体素子の他方に接続された負極部材と、前記１対の半導体素子の接続点に接続された出力部材とを具備する半導体モジュールと、前記半導体モジュールに対して絶縁されたボディとを備える半導体装置であって、
前記ボディと前記正極部材との間の浮遊容量Ｃ１と、前記ボディと前記負極部材との間の浮遊容量Ｃ３とに対して、前記出力部材と前記ボディとの間で、前記出力部材の浮遊容量Ｃ２と前記浮遊容量Ｃ１とが直列接続または前記出力部材の浮遊容量Ｃ２と前記浮遊容量Ｃ３とが直列接続になるようにして、前記出力部材は、前記正極部材または前記負極部材の表面上に積層されて配置されていることを特徴とする半導体装置。
前記浮遊容量Ｃ１と、前記浮遊容量Ｃ２と、前記浮遊容量Ｃ３と、前記ボディとデバイスとの間の浮遊容量Ｃ０と、前記ボディの浮遊インダクタンスＬｂと、コモンノイズの電流経路に応じた角速度ωとに対して、下記数式（１）および下記数式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。